レーザー粉末床融合積層造形におけるアルゴンシールドガスと蒸気のダイナミクスのプロセス監視とシミュレーション

出典: AM ホーム付加製造ホーム

レーザー粉末ベッドフュージョン (L-PBF) 積層造形 (AM) により、従来の製造方法で作られた部品と同等かそれ以上の、正確な寸法制御、設計の自由度、材料特性を備えた部品を作成できます。積層造形の品質管理は、金属積層造形中のレーザーと物質の相互作用の基本原理に依存しており、L-PBF を使用して材料の潜在的な用途とプロセス制御を開発します。この研究では、ガスチャンバー内の熱流体力学を実験的および計算的に利用して、L-PBF 内のガス相、液体相、固体相間の相互作用を解明します。結果は、異なる入口速度の異なるノズルが、アルゴン (Ar) シールドガス流とレーザー煙の相互作用を抑制する上で大きな効果を持ち、それによって不安定な金属蒸気流が減少し、レーザー吸収率が向上することを示しています。プロセスの監視は高速可視化によって実行され、熱流体フローシミュレーションを使用して、蒸発とそれに続くレーザーと煙の相互作用から生じる同時ガスプルームのダイナミクスを理解します。融合不足などの望ましくない欠陥に関連する有害なプロセスダイナミクスを回避して、プロセス設計を改善し、プロセスの安定性を高めることができます。

付加製造（AM）は、複雑な部品を高い自由度で製造できる新しいデジタル製造技術です。特に、金属積層造形は、精密な組成とプロセス制御により、航空宇宙や自動車用途の高温合金部品を製造する上で大きな可能性を秘めていると考えられています。優れた製品品質を確保するために、チャンバースケールまたは溶融プールスケールで最適化されたプロセス条件を探します。溶融池スケーリング現象の包括的なレビューは文献に記載されています。

金属積層造形には、レーザー加熱、粉末の部分的または完全な溶融、溶融池内の高温流体の流れ、蒸発、周囲の層への熱伝達、そして最終的な急速凝固など、さまざまな界面現象と物理プロセスが関与します。ホットメルトプールからは、蒸発したガスが生成され、上向きの「プルーム」（蒸気）を誘発する可能性があります。このプルームには、蒸気の凝縮によって生成された「煙」（固体ナノ粒子）が含まれる場合があります。蒸発ガスの流れにより、溶融池から熱い飛沫粒子（溶融粒子の一部）が噴出したり、近くの冷たい粉末が巻き込まれたりすることがあります。これらの現象により金属積層造形が複雑になり、最終製品の品質はプロセス条件と処理ウィンドウに大きく依存します。

この研究の目的は、実験データと数値シミュレーションを使用して、チャンバー規模の積層造形におけるレーザー煙とレーザースプラッシュの相互作用の影響を直接明らかにし、より良いプロセス条件設定のための洞察を提供することです。図1は本研究の研究範囲を示す概略図である。産業品質管理の問題に着想を得て、プロセス監視のためにガス室モデリングを実行し、直接シミュレーションを通じて詳細なレーザープルーム/煙の相互作用メカニズムを解明します。シミュレーションでは、煙や飛散粒子による吸収と散乱を考慮するためにレーザー追跡が使用されます。蒸気/飛沫分布を特定し、走査角度の違いがレーザー熱吸収に与える影響を研究した。私たちの知る限り、これは蒸気/飛沫分布問題に直接取り組み、AM チャンバー内のレーザー相互作用を追跡することでプロセス品質を調査した初めての研究です。実際、Bitharas らは、レーザービームは噴出蒸気や凝縮水と相互作用することが多いが、この影響はほとんど無視されており、この影響を数値モデルに組み込むことで予測能力が大幅に向上し、プロセス品質を事前に特定できるようになると指摘しました。一連の実験では、粒子画像流速測定法（PIV）によるガス速度場、高速カメラ画像によるスパッタ軌跡、熱画像による溶融池温度、光断層撮影（OT）画像による熱吸収、および製造後の最終製品の品質を取得しました。これらのデータセットは CFD シミュレーションと組み合わせて使用されました。この研究は、プルーム蒸気中の気相、凝縮したナノ粒子の固相、レーザー光が複雑に相互作用する現象をさらに理解するための知見も提供するでしょう。

本研究で使用した加工機は、L-PBF用M290（EOS GmbH）でした。プロセスチャンバー全体の写真を図 2a に示します。加工テーブルサイズは250mm×250mmです。加工テーブルの前にはシールドガスの流れを制御するためのノズルが設置されています。図 2a は、シールドガス (Ar) が流入するための多数の穴が接続された「通常の」ノズルと、入口の形状が 3 つの水平スリットに変更された新しい「スリット」ノズルを示しています。新しいスロットノズルのコンセプトは、建材ボード表面とノズル出口下端との間の隙間を減らし、コアンダ効果（シールドガス流が建材ボード側へ偏向すること）を抑制することです。隙間が小さすぎると、シールドガスによって粉末がビルドプレートから吹き飛ばされてしまいます。したがってバランスが重要であり、ここでのギャップの高さは 2 mm ほど小さくなる場合があります。新しいノズル設計は従来のノズルよりも優れた性能を持つことが証明されています。詳細についてはセクション 4.1.1 を参照してください。上部前面の四角いノズル（図2aの上部のノズル）は、飛散する粉末や煙を抑えてレーザー保護ガラスの汚染を防ぐために使用されます。レーザーは天井部分から放射され、加工台に当たります。レーザー加工が進行中、粉末供給装置（現在は右端）は左端に配置されます。ここで使用されている材料は、EOS GmbH（ドイツ）のニッケル基超合金IN718です。
結果（レーザーと煙、レーザーと飛沫の相互作用）
処理位置の影響まず、処理位置の影響を調査しました。この小さな断面におけるスキャン方向はシールドガスの流れと平行です（θ = 0 度）。図15は2つのノズルのレーザーエネルギー減衰効果を示しています。蒸気雲画像では、蒸気雲は蒸気質量分率 0.25 (薄緑) と 0.5 (オレンジ) の 2 つの等値面で表されます。プラグインは、レーザーの強度 I/I0 と水蒸気の蒸気モル分率 X、およびレーザーのパスを表示します。パス距離はレーザーの原点から測定されます。減衰は時間に依存し、一般的にノズルに近い位置（位置 A）では減衰が大きく、通常のノズルでは減衰が大きくなります。また、スキャン方向が反転すると減衰レベルが全体的に変化することも観察されました。減衰の程度は、蒸気が豊富な領域内のレーザートラックの長さによって決まります。したがって、蒸気の形状（蒸気が豊富な領域）と蒸気雲内のレーザートラックの長さによって減衰が決まります。ノズルに近い位置A（ハウジングB1（スリットノズル：青）とハウジングB3（通常ノズル：緑））では減衰が大きくなります。噴出された蒸気は、局所的なアルゴン流量と走査方向に応じて偏向されます。ケース B1 では、後方ノズル出口の後ろに小さな低速流領域が生成されるため、蒸気雲の根元は変化しません。蒸気雲の上部は、より速いアルゴンの流れによってすぐに押し流され、その高さは非常に小さく一定になります。したがって、減衰は小さくありませんが、スキャン方向の影響はあまり顕著ではありません。対照的に、ケース B3 (通常のノズル) では、蒸気雲の高さがはるかに高くなる傾向があります。これは、ノズルのアルゴン層が比較的遅くて薄いためです。蒸気雲の形状は平坦ではないため、レーザーも傾いており、減衰は走査方向によって影響を受けます。下流に向かってスキャンすると、蒸気を多く含む雲内のレーザー軌跡は短くなり（t = 0.274 秒）、減衰が少なくなります。上流に向かってスキャンすると、蒸気を多く含む雲の内部でのレーザーの軌跡は長くなり（t = 0.285 秒）、減衰が大きくなります。ノズルブロックの後段の再循環ゾーンに関しては、処理位置に蒸気が閉じ込められる可能性があり、この影響を低減することが一般的に望ましい。これは、段差をなくすためにここに追加のノズルブロックを配置するという考えと一致しています。ただし、Elkins らが使用した多孔ノズルブロックの欠点とノズル壁の粘性抵抗は、多孔構成では慎重に考慮する必要があります。側方および下流の位置 B (ケース B2 および B4) でも、同じメカニズムが蒸気雲の形状に適用されます。しかし、この位置 B では、ノズルブロックのステップは効果がなく、Ar ガスの速度は表面近くに存在します。そのため、通常のノズルとスリットノズルの蒸気雲形状の差は小さくなります。ただし、スリットノズルはシールドガスの流れが比較的速いため、わずかに優れた結果を示します。

図16はケースB1とB3の蒸気の形状とフィッティング曲線を示しています。下部逆行領域を除いて、上部高度の変化は式(7)の相関関係に従い、スリットノズルではα = 0.45、r = 0.55と0.58、通常ノズルではr = 10.6と19.8となる。通常のノズルの r が大きいのは、Ar の流量が遅いためです。したがって、蒸気雲の高さと長さのサイズは、Ar フローの設計によって推定できます。十分なアルゴン流量を持つように流れ場を設計することは、レーザーと煙の相互作用を最小限に抑え、製造品質を確保する上で重要であり、この設計は CFD と上記の相関関係を使用することで実現できます。
典型的な飛沫の軌跡を図14に示します。これらの飛沫粒子は生成されると、蒸気領域からすぐに離れていきます。飛散粒子によるレーザー散乱効果を大きくするには、一定の高さで飛散する飛散粒子に直接レーザー光を照射する必要があることが多いのですが、現状ではそれが実現することはあまりありません。したがって、レーザーと煙の相互作用と比較すると、溶融池付近でのレーザー光線エネルギーの減衰という点では、スパッタ散乱の影響は限られています。

スキャン方向の影響が明らかになり、蒸気雲の形状がレーザー減衰に大きな影響を与えていることがわかります。ここで、レーザーのスキャン方向は、遮蔽気流に対して平行（θ = 0 度）から垂直（θ = 90 度）に変わります。図17のレーザービーム減衰の時間的変化から、減衰振幅がわずかに小さく、特にノズル近傍領域では、変動がθ = 0度未満であることがわかります。この傾向は図 9 の実験的傾向と似ています。同様に、各瞬間の減衰の度合いは、蒸気を多く含む雲内のレーザー軌跡の長さによって決まります。オレンジ色の等高線で示される蒸気が豊富な領域のサイズは、ノズルの後ろの停滞した再循環ゾーン（位置 A）で増加し、位置 B の下流では減少します。位置 B では、水流が蒸気を効果的に下流に吹き飛ばします。ただし、平行（θ = 0 度）スキャンと比較すると、このスキャン方向では蒸気がスキャン経路に沿って連続的に蓄積されないため、ノズル付近の領域でも蒸気をより速く吹き出すことができます。
最後に、レーザー減衰と表面吸収率を組み合わせた実際の表面吸収エネルギーを、図 5d の吸収率データを使用して図 18 に示します。吸収率の違いにより若干ケースは異なりますが、傾向は上図と同様です。一般的に、垂直スキャン（θ = 90 度）と位置 B ではエネルギー吸収がより良好になります。さらに、下流位置 B ではスリットノズルの改善が見られます。

前述のように、アルゴンフローの設計とスキャン方向の戦略は、レーザーに沿った蒸気プルーム/煙の分布を適切に制御して安定した処理を実現するための主な要素です。このレーザー相互作用解析は、チャンバースケールでの流れ場と蒸気のダイナミクスを考慮することによって可能になります。 AM におけるレーザー軌道と蒸気雲との直接的な相関関係のこの分析は、実際の AM チャンバー内でのシミュレーションによって実行される初めての分析です。実験とシミュレーションを正しく組み合わせることは、AM チャンバー内のこのような流れ場を定量的に設計するための強力なツールになります。

実際の現象は複雑であり、特に固体ナノ粒子（煙）のモデリングはこの研究においてはまだかなり粗雑です。凝縮したナノ粒子の生成と凝集特性およびメカニズムと、その結果生じるミー/レイリー散乱を特定することが、将来的に予測精度を向上させるための次の課題となる可能性があります。研究された条件下では、主に後方への放出のため、レーザーとスプラッシュの相互作用は比較的弱いです。ただし、スパッタスプレーの特性はプロセス条件によって異なる場合があります。さまざまな条件下でより多くのデータを取得することが重要です。

シールド気流設計の影響は、実験とシミュレーションを通じて詳細に研究されています。具体的な結論は以下のとおりです。

（１）実験的OT信号は溶融池の深さと関係がある。 OT 信号が強くなると、吸収が少なくなり、溶融プールが浅くなります。逆もまた同様です。ノズル構成の違いは OT 信号の違いに現れ、新しく設計されたスリットノズルはより安定した結果を示しています。シールドアルゴン速度を意図的に下げると、OT 信号と処理品質が低下するため、シールドガスを十分に大きくする必要があることがわかります。 OT 信号はスキャン角度にも依存しており、シールド気流に対して垂直なスキャンでは、一般的により良い結果が得られます。そのため、シールドガスの設計は非常に重要であり、蒸気を吹き飛ばすためには流量が一定の大きさである必要があります。

（２）速度（シールドガスおよび蒸気）、温度、スパッタの実験的測定。現状では、蒸気/飛沫の噴出は主に後方方向に発生します。溶融プールの温度は、溶融プール規模のシミュレーション結果とよく一致しています。得られた情報は、チャンバー規模のシミュレーションの境界条件として使用されました。

（３）レーザーと煙の相互作用を初めて直接シミュレーションした。シミュレーション結果によると、シールドガスの設計は蒸気雲の分布に大きな影響を与えることがわかりました。レーザー減衰を低減するには、蒸気雲をシールドガスで素早く吹き飛ばす必要があります。これは、蒸気が豊富な領域でのレーザートラック距離によってレーザー減衰が決まるためです。スキャン方向も蒸気分布を決定する要素です。ノズル近傍領域での平行スキャン（θ = 0 度）はレーザー領域に蒸気が蓄積する可能性がありますが、垂直スキャン（θ = 90 度）ではシールドガスのパージによる悪影響が少なくなります。蒸気とシールドガスがジェットクロスフロー構成を形成するため、蒸気雲の形状は速度（運動量）比によって特徴付けることができます。

この研究はシールドガス設計の重要性を明らかにしています。次のステップとして、特に煙（ナノ粒子）効果を含めた溶融プールシミュレーションに関連するマルチスケール直接シミュレーションが検討されます。この予測アプローチの適用範囲を拡大するには、関連する実験データを体系的に収集することも非常に重要です。

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