国産レーザー3Dプリント複合材料のシミュレーション方法

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-2-21 11:17 に最後に編集されました。

レーザー加工環境では、金属の溶融プロセスに 50 を超えるさまざまな要因が関係しています。以前、米国国立標準技術研究所 (NIST) は、プロセス測定および制御技術を評価するための積層造形テストプラットフォームを確立し、金属粉末の溶融および凝固プロセスを観察し、プロセス計測ツールを統合し、データ取得に基づくプロセス測定/テストに基づく制御アルゴリズムとソフトウェアを開発することを計画していました。

溶融プロセスの前、最中、後の変数間の相互作用に関する国際的な研究に加えて、複合材料のレーザー処理中に他に何が起こるのでしょうか?複合材料内の強化粒子と溶融物はどのように相互作用するのでしょうか?私の国は、金属溶解プロセスにおける変数間の相関関係の研究において、何か重要な進歩を遂げましたか?次に、南京航空航天大学の顧東東教授のチームの「新たな成果」を見て、彼らのイノベーションがどのように国際的なギャップを埋めているかを見てみましょう。
レーザー加工中、溶融池内の強化粒子と溶融界面との間の熱および質量移動プロセスは、粒子の移動挙動に重要な影響を及ぼし、構造の均一性に影響を及ぼします。特に、比重差が大きい材料システムの場合、レーザーによって引き起こされる非平衡溶融池は、粒子の浮上または沈降を加速します。同時に、強化粒子の分布形態も、溶融池の流れと液体-固体前面に密接に関係しています。

強化粒子と溶融体の界面における熱および質量移動の数値シミュレーションは、3次元空間スケールとマルチ物理場を伴う複雑な研究作業です。これまでの研究は、粉末溶融界面、凝固界面、気液界面を含む溶融池全体の温度場と速度場に焦点を当てていましたが、基本的に溶融体と強化粒子の相互作用、特に強化粒子と溶融体間の熱および質量移動プロセスの定量分析は含まれていませんでした。強化粒子に隣接する金属溶融物は温度勾配が大きく、動的粘度が大きく変化する、つまり流体力学では熱境界層が存在します。
レーザーの作用により、強化粒子の表面が溶融し、元素が拡散し、粒子/溶融物の界面付近に化学組成の勾配が形成されます。化学組成勾配と温度勾配の複合効果により、粒子/溶融体界面の流体のレオロジー特性は極めて複雑になります。現在、解析計算はいくつかの経験値と不完全な数学モデルに基づいてのみ実行でき、粒子と溶融体界面間の冶金挙動を定量的かつ動的に反映することはできません。

同時に、レーザー加工は粉末を溶融するための高温過熱と溶融池の急速冷却という特性があるため、実験観察は非現実的です。しかし、凝固したマトリックス内の溶融強化粒子の分布は、その使用性能に直接影響します。強化粒子が均一に分布すると、マトリックスへの負荷を効果的に伝達して支えることができ、早期の故障を回避できます。現在、レーザー処理中に溶融池内の粒子と溶融物との界面での熱および質量移動をシミュレートできるエンジニアリングソフトウェアは存在しません。
この目的のために、南京航空航天大学は、レーザー 3D プリントされた複合材料の溶融池内の強化相と溶融物との界面における熱および質量移動をシミュレートする方法を発明しました。

手順は次のとおりです。
ステップ 1: 粒子と溶融複合材料の溶融プールを含む 3 次元温度場と流れ場モデルを確立します<br /> Gambit ソフトウェアで部品の計算ジオメトリモデルを確立し、部品の計算ジオメトリモデルのメッシュ作成を実行します。まず、部品の計算ジオメトリモデルを規則的な領域と不規則な領域に分割します。規則的な領域は六面体メッシュに分割され、不規則な領域は四面体メッシュを使用して分割されます。粒子の周囲ではメッシュ密度が高くなり、粒子から離れた領域ではメッシュが疎になります。メッシュ精度の向上に伴って計算結果が変化しない場合は、モデルの計算精度と効率が適切なレベルに達したことを示します。

ステップ 2: 最初のステップで確立した物理ジオメトリモデルに基づいてマスター制御方程式を確立します<br /> 主な支配方程式は、質量方程式、運動量方程式、エネルギー保存方程式で構成されます。

ステップ 3: 数値流体力学ソフトウェアに基づいて、粒子と溶融物間の熱および質量移動を計算します<br /> 確立された物理的幾何モデルは、数値流体力学ソフトウェアにインポートされ、初期条件と境界条件が設定されます。溶融流動は層流として定義され、質量、運動量、エネルギー制御方程式は圧力結合と暗黙法を使用して解かれます。計算は収束するまで反復されます。レーザー加工中の溶融池内の粒子と溶融物間の温度場、速度場、液相体積率、力条件、最終分布形式が得られ、データがエクスポートされ、後処理されます。
図：レーザー処理中の溶融プールの上面の温度フィールド分布、出典：航空宇宙大学と宇宙飛行士：補強粒子とレーザー処理中の溶融プールの溶融物の界面の速度フィールド分布：南京航空大学の宇宙飛行士の図：レーザー処理後の固化したマトリックスの補強粒子の体積分布の雲の図：航空宇宙の南京大学：鉄筋の間の界面間の界面の間の界面の間の界面の間の溶融処理中のMELTの溶融処理の間のMELTの間のMELTの近くのフローフィールド分布と力の図レーザー実験処理後の固化マトリックス内の強化粒子の分布の画像、出典：南京航空大学宇宙飛行士は、強化相との間の熱と大量移動のシミュレーション方法と、アエロノーティックスのナンジン大学によって発明されたレーザー3D印刷された複合物材料の溶融プールの溶融プールの溶融プールの溶融プールの間の溶融プールの間の溶融プールの間の溶融プールの間の溶融プールの間の溶融プールの間の溶融界面との間の溶融界面の間の大量移動のイメージ：AdonauticsおよびAdonauticsとAdvuticsとAstronauticsとAstronauticsがあります。

1. コンピューターを使用してレーザー加工プロセスをシミュレートし、レーザー加工中の溶融池内の強化粒子と溶融物界面との間の熱および質量移動の数学的および物理的モデルを採用することにより、レーザー加工による凝固後のマトリックス内の強化粒子の分布状態をシミュレートできます。強化粒子と溶融物との界面の温度場、速度場、圧力場を動的かつ定量的に研究し、凝固したマトリックス内の強化粒子の分布状態を予測できます。これにより、プロセス-界面の熱および質量移動プロセス-組織間のマッピング関係を確立し、複合材料のレーザー加工技術を定式化し、マトリックス内の強化粒子の分布状態を改善して均一な微細構造を得るための理論的ガイダンスを提供します。そのため、南京航空航天大学は、レーザー加工プロセスにおける経験や半経験的経験に基づく決定論的モデルや解析計算の問題を解決し、強化粒子と溶融物の界面間の熱および質量移動の定量的研究を実現し、凝固マトリックス内の強化粒子の分布状態を正確に予測しました。

第二に、熱および質量移動をマクロな温度場との橋渡しとして利用することで、強化粒子と溶融界面の接続を確立し、ミクロ-マクロマルチスケール結合シミュレーションを実現し、強化粒子と溶融界面間の熱および質量移動の法則、つまり溶融体の作用下での強化粒子の移動メカニズムと凝固構造における最終的な分布状態を明らかにしました。

3.数値シミュレーション、流体力学、材料熱力学などの分野を組み合わせることで、強化粒子と溶融界面間の熱および質量移動プロセスをさまざまなスケールと位置で再現し、強化粒子の冶金熱力学と運動メカニズムを定量的に研究し、強化粒子の分布状態を予測できます。計算結果は実験結果と一致しています。

南京航空航天大学は、レーザー3Dプリント複合材料の溶融池における強化相と溶融界面間の熱および質量移動の相関関係を研究するほか、時間と空間におけるアクティブトラッキングに基づくレーザー3Dプリント溶融池の凝固挙動の数値シミュレーション法、レーザービームと粉末粒子間の光固結合プロセスのメソスコピックシミュレーション法なども研究している。
参照: CN105868434A
出典: 3Dサイエンスバレー

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