シミュレーションによる 3D プリントの期待値の管理

今日の航空機部品の多くは 3D プリントを使用して製造されており、使用される技術に関係なく、その品質を確保することが非常に重要です。 3D プリンティングには大きな可能性がありますが、印刷品質を確保し、望ましい品質を達成する方法を知ることは、依然として研究課題です。

シミュレーションは、レーザー溶融金属のプロセスをシミュレートし、結果として得られる部品の価値を証明できるため、これに役立ちます。これにより、3D プリントの失敗率が低減されるだけでなく、部品の品質が向上し、ユーザーの学習時間が短縮されます。

現在、多くのメーカーは、材料の特性をどのように考慮し、これらの特性が最終製品やその処理性能にどのように影響するかを知りません。そのため、ほとんどの場合、継続的な試行錯誤を通じて満足のいく印刷結果を得ることしかできません。これにより、必然的に不必要なお金、時間、材料、労働コストが増加し、明らかに最良の開発方法ではありません。

シミュレーションでは、レーザー焼結プロセス中の粉末材料の挙動と、さまざまな材料特性が製品に与える影響を予測します。

もちろん、材料の特性だけでなく、さまざまな積層造形装置の詳細なプロセスにも多くの違いがあります。モデリングとシミュレーションの課題は、特定のメーカーの独自性を捉えることです。品質と認証の観点から、物理的に定量化可能な機械パラメータに基づいてデータアーカイブを確立するには、さまざまな機器でシミュレーションソフトウェアを使用する必要があります。 AM 結果のパフォーマンスに影響を与える粉末後処理の変動など、その他の要因も考慮する必要があります。

これにより、シミュレーションが複雑になります。比較的簡単に言えば、積層造形モデリングに必要な幾何学的形状を実現できます。難しいのは、特に航空宇宙分野では、強度や疲労性能など、非常に厳しい性能基準を達成することです。

シミュレーションソフトウェア自体も継続的に最適化する必要があり、そのためには積層造形エコシステム全体の統合が必要です。シミュレーションソフトウェアは、機械メーカーと協力して機器の物理パラメータの権利を取得する必要があり、材料サプライヤーと協力して材料科学指標が正しいことを確認する必要があり、テストの専門家と協力してテスト対象の部品が正しいことを確認する必要があり、ユーザーと協力して予測結果が実際の効果と一致するようにする必要があります。すべての材料、設備、製品に関する重要な情報に基づいて、材料、機械、モデリングを変更する方法を予測します。シミュレーションの最終的な目標は、人々が「授業料」を支払うことを節約し、機器をテスト製品として使用することです。シミュレーションの目的は、時間とお金の無駄を避け、間違いを避けることです。

シミュレーションはまさにビッグデータの仕事だ

積層造形シミュレーションソフトウェア 3DSIM を例に挙げてみましょう。このソフトウェアは、粉末特性が製品性能に与える影響を予測し、最大の性能を実現するためにどの部品に厳密な粉末制御が必要かを判断する必要があります。厳しい仕様ではより正確な材料テストが必要となり、メーカーのコストが増加します。要件が厳しくなるほど、テストコストも高くなります。積層造形プロセスにおける材料特性の役割をシミュレートすることで、高価な材料の無駄を減らし、テストに合格しない材料の発生を防ぐことができます。

部品の形状をモデル化すると、シミュレーションソフトウェアを使用して代表的なレーザー走査パスを予測できます。レーザーと材料との相互作用のモデルはシミュレーションによって得られます。このモデルは、レーザーの作用により材料が粉末から液体に、そして固化へと変化する過程を科学的に説明しています。このモデルは、粉末が加熱され、エネルギーが爆発し、溶解し、粉末床上で急速に冷却されて固化するプロセスをシミュレートし、各層の構造は類似しています。

層スキャン戦略が確立されると、シミュレーションによって層の正確な温度履歴が提供され、材料の結晶構造、多孔性、変形、残留応力を予測できるようになります。シミュレーションデータは、粉末材料の嵩密度、レーザーエネルギー吸収特性、熱伝導率など、機器と材料の物理的要因に基づいています。

シミュレーションを通じて、プロセスパラメータを調整し、新しい粉末を交換することができます。スキャン戦略と粉末の選択はソフトウェアを通じて決定できます。シミュレーションソフトウェアは、これらの変更が部品のパフォーマンスに与える影響を予測します。

2 つの異なる処理パラメータでの温度プロファイル<br /> 3DSIM を例に挙げてみましょう。ソフトウェア設計の基本は、1,000 種類以上の異なる材料の組み合わせの性能特性を理解し、材料の組み合わせによって部品のどの側面が最も影響を受けるかを理解することです。これにより、興味深い結果が得られ、材料特性と溶融池の幅と深さの関係を判断するのに役立ちます。溶融池の幅と深さを正確にシミュレートすることで、部品の表面粗さ、精度、多孔性を直接予測できます。

シミュレーションでは、レーザースキャン方向によって表面粗さが異なる結果が示されています<br /> 難しい点の 1 つは、さまざまな材料がレーザーエネルギーをどのように吸収するか、またその違いは何かということです。この特性が重要であることは多くの人が知っていますが、シミュレーションソフトウェアの信頼性の尺度となるこの特性を正確かつ迅速に測定するための新しい実験を開発することは困難です。

シミュレーションでは、材料の融点と凝固点を考慮する必要があります。通常、ユーザーは粉末を購入するときに、粉末がどれだけ速く溶けるかには注意を払いません。通常、サイズ、形状、粒度分布、化学的特性のみが考慮されます。

過冷却 - 過冷却（または極度の冷却）は、めったに議論されないトピックです。しかし、積層造形中、冷却は実際には非常に速く、多くの場合非常に高速（数マイクロ秒）で行われ、溶融温度が数百度低下して固化します。温度に達していない場合、凝固が完了していないため、材料は実際にはまだ柔らかいままです。したがって、シミュレーションでは融点だけでなく凝固点も考慮する必要があります。凝固点を考慮しないと、凝固が不十分な場合、シミュレーション結果の現実は 40% ほどずれることがよくあります。

シミュレーションを通じてサポート構造を決定する<br /> 全体的に、3D プリント専用のシミュレーションソフトウェアはまだ新しい分野であり、シミュレーションは期待を管理する重要な手段となります。機器を稼働させる前に、メーカーに何をすべきか、サポートをどのように設定するか、最適な結果を得るにはどうすればよいかを伝えることができます。したがって、シミュレーションによって得られる洞察と理解は、製造業者の苦痛と予期せぬ障害を軽減すると言えます。

3D Science Valleyから転載

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