特徴分割と温度関数に基づく大型積層造形金属部品の変形と残留応力の予測法

出典: 神航添加剤著者: 李博波、張璋

1. 研究の意義と内容 レーザー堆積製造技術は、航空宇宙分野などの大型で加工が難しい金属部品の製造を可能にします。しかし、レーザー堆積製造プロセス中の大きな温度勾配によって発生する残留応力により、形成された部品が変形したり、ひび割れたりする可能性があります。大型付加金属部品の変形をいかに迅速に予測するかが、大型部品の変形制御と高品質成形を実現するための鍵となります。したがって、本論文では、特徴分割と温度関数の組み合わせに基づいて、大きな付加的なコンポーネントの高速変形予測方法を提案します。まず、レーザー堆積製造技術の原理を理解した上で、典型的な幾何学的特徴に基づく分割方法を提案し、十字形、L字形、T字形、直線形の4種類の特徴分割を確立し、従来の分割の高いランダム性の問題や、部品変形の数値シミュレーションの面倒な前処理を回避しました。次に、開始温度、ピーク温度、終了温度などのさまざまなパラメータが変形予測精度に与える影響を数値シミュレーション方法によって研究し、さまざまな特性パーティションの温度関数曲線を確立し、実験と従来の熱弾塑性法によって変形予測の精度を検証しました。この方法により、大型付加部品の変形予測精度を確保しながら、予測効率が大幅に向上します。

メッシュモデル

2. 影響要因の分析
1. 温度機能開始温度
複数の熱サイクルは、積層造形と溶接の最大の違いの 1 つです。レーザー堆積製造プロセスでは、熱が継続的に蓄積され、温度が徐々に上昇します。したがって、異なる層間開始温度が最終的な計算結果に影響を与えるかどうかを考慮する必要があります。温度関数の開始温度が変形予測精度に与える影響を調べるため、開始温度を20℃、180℃、300℃、350℃、420℃、450℃に設定し、各特性区画の変形結果をシミュレートし、基板の背面にx方向とy方向に沿った変形抽出パスを設定しました。異なる開始温度での各特性区画のx方向とy方向の変形比較結果を図2(a)～図2(h)に示します。

比較結果から、異なる開始温度では、各特性区画の x 方向と y 方向の変形は温度の上昇とともに徐々に減少することがわかります。その理由は、開始温度が上昇し、温度勾配が減少し、堆積プロセスの熱応力が減少するためです。十字形、T 字形、直線形のフィーチャーパーティションの変形を比較すると、開始温度が 300℃ の場合、x 方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致しています。開始温度が 180℃ の場合、y 方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致しています。 L 型特性分割の場合、開始温度がそれぞれ 420℃ と 300℃ のとき、x 方向と y 方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致しています。 x方向の変形はy方向の変形よりもはるかに大きいため、クロス型、T型、ストレート型の特性仕切りの開始温度は300℃に設定され、L型の特性仕切りの開始温度は420℃に設定されます。

図2 開始温度が各特性基板の変形に与える影響 (a) x方向に沿って十字形 (b) y方向に沿って十字形 (c) x方向に沿ってL字形 (d) y方向に沿ってL字形 (e) x方向に沿ってT字形 (f) y方向に沿ってT字形 (g) x方向に沿って直線形 (h) y方向に沿って直線形

2. 温度関数ピーク温度
レーザー蒸着法で製造された部品の塑性変形は、材料が受けるピーク温度によって決まります。温度関数法を使用して添加剤コンポーネントの変形を予測する場合、ピーク温度の値は予測精度に重大な影響を及ぼします。異なるピーク温度が変形予測に与える影響を調べるために、ピーク温度をそれぞれ1700℃、1800℃、1900℃、2000℃、2100℃に設定しました。温度関数法を使用して、図3(a)～図3(h)に示すように、x方向とy方向の各特性区画の変形とピーク温度の関係をシミュレートしました。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の科学研究とエンジニアリングアプリケーションに焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。
比較結果から、異なるピーク温度では、各特性パーティションの x 方向と y 方向の変形が温度の上昇とともに徐々に減少することが示されています。その理由は、ピーク温度が上昇すると温度勾配が大きくなり、基板の逆変形が大きくなり、冷却後の基板の変形が減少するからである。十字形、T字形、直線形の特徴的な仕切りの変形を比較すると、ピーク温度が1900℃のとき、x方向とy方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致しています。 L型特性分割の場合、温度関数のピーク温度は従来の方法による抽出に基づいて補正する必要があります。ピーク温度が1950℃の場合、x方向とy方向の変形は従来の方法の予測結果と一致しています。 x方向の変形はy方向の変形よりもはるかに大きいため、十字形、T字形、直線形の特性仕切りのピーク温度は1900℃に設定され、L字形の特性仕切りのピーク温度は1950℃に設定されます。

図3 ピーク温度が各特性基板の変形に与える影響 (a) x方向に沿って十字形 (b) y方向に沿って十字形 (c) x方向に沿ってL字形 (d) y方向に沿ってL字形 (e) x方向に沿ってT字形 (f) y方向に沿ってT字形 (g) x方向に沿って直線形 (h) y方向に沿って直線形

3. 温度機能終了温度
温度関数の終了温度は、層間温度勾配の大きさに直接影響します。このセクションでは、開始温度とピーク温度を定量的要因として使用し、温度関数の終了温度が変形予測精度に与える影響を調べます。終了温度は、20℃、180℃、300℃、350℃、420℃、450℃に設定され、各特性パーティションの変形結果をシミュレートし、x方向とy方向に沿った基板の変形データを抽出します。異なる終端温度での各特性区画のx方向とy方向の変形比較結果を図4(a)～図4(h)に示します。

比較結果から、異なる終了温度では、各特性パーティションの x 方向と y 方向の変形は温度の上昇とともに徐々に減少することがわかります。その理由は、終了温度が上昇し、温度勾配が減少し、堆積プロセスの熱応力が減少するためです。十字型とL字型の特徴的な仕切りの変形を比較すると、終了温度が420℃のとき、x方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致し、終了温度が180℃のとき、y方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致しています。 T 型および I 型フィーチャパーティションの場合、終了温度が 420℃ のとき、x 方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致しています。終了温度がそれぞれ 350℃ および 450℃ のとき、y 方向の変形は従来の方法の予測結果とよく一致しています。 x 方向の変形は y 方向の変形よりもはるかに大きいため、十字形、T 字形、L 字形、直線形のフィーチャーパーティションの終了温度は 420°C に設定されています。

図4 各特性基板の変形に対する終端温度の影響 (a) x方向に沿った十字形 (b) y方向に沿った十字形 (c) x方向に沿ったL字形 (d) y方向に沿ったL字形 (e) x方向に沿ったT字形 (f) y方向に沿ったT字形 (g) x方向に沿った直線形 (h) y方向に沿った直線形

3. 検証
1. 特徴分割予測の精度と効率
冷却後の各特性区画の応力雲図を図5に示します。 4 つの特性区画の応力分布傾向は一貫しており、等価応力の振幅レベルは同じであることがわかります。最大応力は基板と堆積領域の間の遷移位置に現れますが、温度関数法によって予測された添加剤成分の堆積領域の応力は、主にスキャン戦略が応力に与える影響が考慮されていないため、従来の熱弾性塑性法よりもわずかに高くなります。さらに、堆積層に高応力がある問題では、セグメント化成形法によって全体の応力を離散化できますが、セグメント化によってセグメント接続部のモデルに明らかな応力ブレークポイントが発生し、セグメントの数が増えると、ある程度の計算効率が失われます。

図5 異なる方法によって予測された応力クラウド図 (a) 線形タイプ (b) T タイプ (c) L タイプ (d) クロスタイプ冷却後の各特性パーティションの変形クラウド図を図6に示します。 4種類のフィーチャーパーティションに対して異なるシミュレーション方法で得られた変形傾向は基本的に一致しており、最大変形は実験測定結果と一致していることがわかります。また、温度関数法では走査経路の影響を考慮していないため、堆積領域の局所的な変形は従来の方法で予測された変形よりもわずかに大きくなりますが、両方のシミュレーション方法による基板の変形は実験結果と一致しており、温度関数法はレーザー堆積された添加剤コンポーネントの変形を正確に予測できることを示しており、基板の変形比較曲線を図7に示します。比較結果から、2 つのシミュレーション方法によって予測された基板変形結果が実験結果とよく一致していることがわかります。温度関数法によって予測された x 方向に沿った各フィーチャの基板反り変形と実験結果の誤差を表 1 に示します。計算効率の観点から、各典型的な特徴分割モデルについて、異なる方法の計算時間を表 2 に示します。温度関数法は計算時間を大幅に短縮でき、4 つの異なる特徴モデルでは計算時間を 95% 以上短縮できます。

図6 実験と異なるシミュレーション方法の変形比較 (a) クロスタイプ (b) Tタイプ (c) Lタイプ (d) リニアタイプ

図 7 異なる方法で得られた基板の変形曲線 (a) x 方向に沿った十字形 (b) y 方向に沿った十字形 (c) x 方向に沿った L 字形 (d) y 方向に沿った L 字形 (e) x 方向に沿った T 字形 (f) y 方向に沿った T 字形 (g) x 方向に沿った直線形 (h) y 方向に沿った直線形

2. 大型部品の予測精度と効率
本論文では、レーザー堆積法による添加剤部品の急速変形予測の研究における特徴分割法と温度関数法の利点をさらに明らかにするために、200mm×150mm×8mmのチタン合金フレーム部品を研究対象として選択し、基板サイズを250mm×200mm×10mmと選択した。温度関数法と従来の熱弾性塑性法を使用して、レーザー堆積製造中のコンポーネントの応力と変形分布をシミュレートします。公式アカウント「Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance」をフォローして、付加製造の科学研究とエンジニアリングアプリケーションに焦点を当てた大量の付加材料を無料で入手しましょう。
チタン合金フレーム部品の残留応力と変形分布は、図 8 ～ 10 に示すように、温度関数法と従来の熱弾塑性法によって予測されます。図 8 の残留応力クラウド図を比較すると、2 つの解析方法で添加剤成分の同じ残留応力分布傾向が予測され、最大応力領域が一致し、等価応力の振幅レベルが同じであることが分かります。図9と図10の添加剤成分の変形比較から、特徴補正に基づく温度関数法は大きな添加剤成分の変形を正確に予測でき、最大変形誤差は9.57%であることがわかります。計算効率の点では、温度関数法では計算に 42.68 時間かかりますが、従来の方法では 1309.29 時間かかります。特徴分割に基づく温度関数法は、添加剤コンポーネントの変形予測効率を大幅に向上させ、大きな添加剤コンポーネントの変形を迅速に予測する効果的な方法を提供します。

図8 典型的なフレームビームの予測応力クラウド図 (a) 熱弾性法の応力クラウド図 (b) 温度関数法の応力クラウド図

図9 典型的なフレームビームの予測変形クラウド図 (a) 熱弾性法の変形クラウド図 (b) 温度関数法の変形クラウド図

図10 異なる予測方法による基板変形曲線 (a) x方向の変形曲線 (b) y方向の変形曲線

IV. 結論
本研究では、航空宇宙用途の大型チタン合金フレームビーム部品の典型的な幾何学的特徴に基づく分割方法を提案し、各分割をクロス型、L型、T型、ストレート型の4つの典型的な特徴分割に分類しました。まず、従来の熱機械有限要素モデルにより、層内および層間のピーク温度の分布法則を分析し、温度関数の抽出および追加方法を決定しました。次に、温度関数の主要パラメータが変形予測精度に与える影響を体系的に研究し、各特性区画の最適な温度関数曲線を決定しました。最後に、修正温度関数法によって各特性モデルと大型フレーム梁部品の変形と残留応力を予測し、従来の方法と実験測定の予測結果と比較しました。比較結果によると、特徴分割に基づく温度関数法は、予測精度（最大変形誤差は10％未満）を満たしながら計算効率を大幅に向上（計算時間が96％短縮）し、大型添加剤コンポーネントの変形予測に新しい方法を提供します。

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