繊維強化ポリマー複合材料の粉末床溶融積層造形法のためのマルチフィジックスモデリング

第一著者: Tan Pengfei 連絡先著者: Zhou Kun 出典: Advanced Powder Materials

本稿では、粉末床の敷設、溶融、凝集を含む繊維強化ポリマー複合材料の粉末床融合積層造形プロセスをシミュレートするための粉末スケールのマルチフィジックスシミュレーションフレームワークを確立します。このシミュレーションは、複合材料の細孔形成メカニズムを調査し、印刷プロセスパラメータを最適化するための理論的なガイダンスを提供することを目的としています。

記事の概要<br /> 付加的に製造された繊維強化ポリマー複合材料は、その軽量性と多機能性により研究者から大きな注目を集めています。しかし、複合材料における気孔形成メカニズムの理解が不十分なため、気孔欠陥は依然として研究者の焦点となっています。この研究では、繊維強化ポリマー複合材料の粉末床融合積層造形プロセスをシミュレートするための粉末スケールのマルチフィジックスフレームワークを確立します。モデルには、ポリマー複合粉末の粒子の流れ、レーザー粉末の相互作用、熱伝導、多相流など、一連の物理現象が関係しています。選択的レーザー焼結（SLS）によって製造された単層ガラス繊維強化ナイロン12（PA12）複合材料の溶融深さを実験的に測定し、シミュレーション結果と比較してモデルの精度を検証しました。さらに、本論文では、複合材料における未融合気孔とガス閉じ込め気孔の形成メカニズムについて詳細な研究を行っています。結果は、繊維含有量の増加により、複合材料の緻密化率の低下、多孔度の増加、および細孔球形度の低下につながることを示しています。
背景積層造形部品の気孔を削減または除去するには、気孔の形成と進化のプロセスを深く理解するための効果的な方法を採用することが重要です。実験的に気孔形成を検出するのは困難でコストもかかるため、数値的手法は気孔形成の物理的メカニズムを明らかにし、製造プロセス中の気孔形成の進展を調査するための経済的かつ効率的な代替手段となります。研究者は、単一または複数の材料の金属付加製造プロセス向けに、粉末スケールでの高精度マルチフィジックスモデルを広範囲に開発してきました。しかし、ポリマー材料の付加製造プロセスを予測するための現在の主な方法は、依然としてマクロスケールのモデルに依存しています。これらのマクロスケールモデルは、多孔質粉末床を連続媒体として考慮し、積層造形中の温度変化と溶融プールのサイズを効果的に予測できます。しかし、粉末床の個別の特性を無視しているため、レーザーと粒子の相互作用や細孔形成を正確にシミュレートすることが困難です。ポリマー複合材料の粉末床溶融中の溶融プールのダイナミクスと細孔形成を正確に予測できる粉末スケールのマルチフィジックスモデルはまだ不足しています。

イノベーション： （1）繊維強化ポリマー複合材料の粉末床溶融積層造形のための粉末スケールのマルチフィジックスシミュレーションフレームワークを確立しました。

（２）複合材料中の未融合気孔およびガス閉じ込め気孔の形成メカニズムを研究した。

（３）複合材料中の繊維含有量が増加すると、複合材料の緻密化率が低下し、多孔度が増加し、細孔球形度が低下することが研究で判明した。

記事の概要<br /> 本論文では、確立されたマルチフィジックス場数値モデルを使用してガラス繊維強化 PA12 複合材料の SLS プロセスを予測し、複合材料内の気孔生成および進化プロセスを研究し、繊維含有量が複合材料の気孔率に与える影響を分析します。

（１）ガラス繊維強化PA12複合粉末の溶融・凝固図１はガラス繊維強化PA12複合材料のSLSプロセスのシミュレーション結果を示す。レーザースキャンプロセス中、PA12 とガラス繊維の熱伝導率が低く、粉末床に多孔性があるため、レーザー照射領域から隣接する粉末粒子への熱伝達は比較的遅くなります。粉末粒子が溶けた後、表面張力により凝集し、高密度の印刷物を形成します。粉末粒子が凝集すると、粉末粒子間の空隙が PA12 溶融物で満たされますが、開いた空隙が閉じられると、ポリマー溶融物内に気泡が閉じ込められる可能性があります。閉じ込められた気泡の一部は、流体が流れる際に PA12 溶融物から逃げるか溶融物に溶解しますが、残りの気泡は固化後に印刷された部品の細孔になります。
図 1. SLS プロセス中のガラス繊維強化 PA12 複合粉末の溶融と凝集: (a) 計算流体力学モデル: 計算領域のサイズは L × W × H = 960 × 960 × 400 μm³、粉末層の厚さ h、レーザー走査パス間隔 d、走査パス長 l はそれぞれ 200 μm、100 μm、600 μm です。(b) レーザー走査後の温度場。(c) レーザー走査領域から抽出された長方形。(d) 直方体内部の粉末の凝集プロセス。シミュレーション結果の赤、青、灰色は、それぞれ溶融した PA12、不完全に溶融した PA12、ガラス繊維を表します。

（２）ガラス繊維強化PA12複合材料における気孔形成メカニズムの解析

レーザーエネルギーの入力が不十分な場合、PA12 粉末粒子の溶融が不完全になり、気孔が形成される可能性があります。図 2 に示すように、PA12 溶融物は溶融していない粉末粒子に完全に拡散してそれらを濡らすことができないため、溶融物によって満たされない空隙は最終的に印刷部品の細孔に変化します。レーザースキャン領域から抽出された直方体ブロックを使用して、気孔とガラス繊維の3次元分布を分析しました。不十分なレーザーエネルギー入力によって生じた気孔は、主に層間領域に位置し、形状は平坦です。さらに、繊維の凝集と未融合の粉末粒子の複合効果により、大きな閉じていない細孔が形成されました。再粉末化後、過度に厚い粉末層が形成され、粉末の溶融が不完全となり、製造された複合材料に不規則な気孔が形成されます。
図2. レーザー出力12W、レーザースキャン速度2.5m/s、粉末ベッド初期温度425KでSLS印刷されたガラス繊維強化PA12複合材料：（a）xz断面の光学顕微鏡画像と（b）シミュレーションで予測されたxz断面、（c）レーザースキャン領域から抽出された直方体の3Dビュー、（d）上面図、および（e）細孔とガラス繊維の分布、（f）SLS印刷物の細孔球形度分布。図(e)の黄色は気孔を表しています。

粉末凝集プロセス中に、一部の開いた細孔が閉じると、PA12 溶融物内に気泡が閉じ込められることがあります。これらの気泡が PA12 溶融物から逃げたり溶解したりしない限り、閉じ込められた気泡は最終的に印刷物の細孔になります。図3に示すように、繊維凝集領域には不規則な形状の細孔があり、ポリマー領域にはほぼ球形の細孔があるという2種類の細孔が観察されます。複合粉末の混合・塗布工程では、ガラス繊維の凝集力と繊維とPA12の形状や材質の違いにより、繊維凝集現象が非常に発生しやすくなります。繊維凝集領域に孔が形成される主な原因としては、高粘度の PA12 溶融物の繊維間の流れが妨げられ、溶融物が繊維間の隙間を完全に埋めることができなくなること、および繊維とポリマー間の非適合性が挙げられます。さらに、ポリマー領域に形成される細孔は、表面張力の影響により、ほとんどが球形になります。図 2 と図 3 の細孔球形度分布を比較すると、十分なエネルギー入力によって不規則な細孔の形成を効果的に減らすことができることがわかります。

図3. レーザー出力 14 W、レーザースキャン速度 2.4 m/s、粉末ベッド初期温度 429 K で SLS により製造されたガラス繊維強化 PA12 複合材料の顕微鏡画像: (a) および (c) xy 断面、(b) および (d) xz 断面、(e) レーザースキャン領域から抽出された直方体の 3 次元図と (f) 上面図、(g) 直方体内の気孔とガラス繊維の分布、(h) SLS により製造された複合材料の気孔球形度の分布。
（３）ガラス繊維含有量が複合材料の多孔性に与える影響

ポリマー粉末の強化フィラーは、粉末の配置（表面粗さおよび充填密度）、レーザーエネルギー吸収、熱伝達、ポリマー溶融流動など、AM プロセスのさまざまな側面に影響を与える可能性があり、そのため、製造された複合材料の細孔の形成に重要です。図 4 に示すように、繊維含有量が多いほど、複合材料の緻密化率が低下し、多孔性が増加することがわかりました。さらに、繊維含有量の増加に伴い、不規則な気孔の数が大幅に増加し、気孔の球形度が低下しました。

図 4. SLS で印刷された、異なる繊維含有量のガラス繊維強化 PA12 複合材料の上面図と xz 断面: (a) w = 0、(b) w = 10%、(c) w = 20%。レーザースキャン領域で抽出された直方体内の気孔とガラス繊維の分布: (d) w = 0、(e) w = 10%、(f) w = 20%。(g) 粉末凝集中の異なる繊維含有量での気孔率の変化。(h) 異なる繊維含有量の複合材料における気孔の球形度の分布。
啓示<br /> この研究では、繊維強化 PA12 複合材料の粉末床融合積層造形プロセスをシミュレートするための粉末スケールのマルチフィジックスフレームワークを確立しました。この論文では、SLS 印刷された複合材料における未融合およびガス閉じ込め気孔の形成メカニズムを明らかにしています。研究結果によると、未融合の気孔は主に層間領域に位置し、形状が平坦または不規則であるのに対し、ガス閉じ込めによって生じた気孔は、ポリマー領域と繊維凝集領域でそれぞれほぼ球形で不規則な形状をしています。繊維含有量が増加すると、複合材料の緻密化率が低下し、多孔度が増加し、細孔球形度が低下します。

チームについて<br /> Pengfei Tan 氏は、シンガポールの南洋理工大学機械航空工学部 3D プリンティングセンターの博士研究員です。主な研究分野は、ポリマーおよび金属の付加製造の数値モデリングです。

周美新氏は、シンガポールの南洋理工大学機械航空工学部 3D 印刷センターの博士研究員です。彼女の主な研究対象は、ポリマー付加製造技術による多機能複合材料の開発と、物理モデルに基づく印刷プロセスの最適化です。

周坤：シンガポールの南洋理工大学機械航空工学部の教授。主な研究分野は材料力学と積層造形です。

Pengfei Tan、Meixin Zhou、Chao Tang、Kun Zhou。繊維強化ポリマー複合材料の粉末床融合のための粉末スケールマルチフィジックスフレームワーク。Adv. Powder Mater.3(2024)100190。https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100190

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