シミュレーションを使用してレーザー粉末床溶融結合の課題を克服する方法3つの制作例を読めばわかります！

出典: オクトン

レーザーの数が増えると、出力が上がり、印刷が高速になり、部品あたりのコストが下がります。少なくとも、それが 2 個、3 個、4 個、さらには 12 個のレーザーを搭載した新世代のレーザー粉末ベッド溶融結合 (LPBF) マシンに対する主な期待です。しかし、エネルギー入力が大幅に増加したことで、予想外の課題が生じています。これらの課題をどのように特定し、シミュレーション技術を使用してそれらに対処するのでしょうか?

熱シミュレーション技術がレーザー粉末床溶融結合の課題に対応
LPBF は積層造形 (AM) プロセスです。このプロセスでは、レーザービームを金属粉末に当てて、部品を層ごとに印刷します。機器の生産速度を上げるために、プリンターメーカーはレーザーを追加し始めていますが、これにより部品の過熱、収縮、微細構造や機械的特性などの材料特性の変化のリスクが高まります。目視検査では正常に見えても、実際の使用中にひび割れなどの故障が発生する場合があります。

4 つのレーザーを備えた機械を使用すると、マルエージング鋼 (以下、工具鋼と呼びます) が著しく過熱し、変色することがあります。

選択的レーザー融合印刷を使用する際に起こり得る障害を排除するために、製造業者はプロセス全体をデジタルでシミュレートできます。熱シミュレーションにより、レーザーの数を増やした場合の結果を調査し、部品の品質への影響を推定することが可能になります。

現在、熱シミュレーションは個々の部品に焦点を当てており、サポート構造または部品自体が基板に熱を伝達するのに十分かどうかを研究しています。ただし、単一の部品の温度を正確に予測するには、ジョブ全体の印刷速度を知る必要があります。 2 つの部品間で熱が伝達されない場合でも、実際の印刷設定を考慮することが重要です。

Amphyon がレーザー溶解プロセスを実現<br /> シミュレーションソフトウェア Amphyon は、2 段階のアプローチを使用して、選択的レーザー溶融プロセスの正確なシミュレーションを実現します。

まず、Amphyon はレーザーの数、レーザー出力、スキャン速度、粉末の敷設時間などのパラメータに基づいて印刷速度を計算します。次に、Amphyon は熱有限要素解析を通じて絶対温度を予測します。この場合、融点を超えるピークは、この値は関係がないため計算されません。代わりに、次の層のスキャンを開始する前に、部品の周囲温度を知る必要があります。生成された層が熱くなりすぎた場合、Amphyon は冷却にかかる時間を計算し、最終的に印刷時間を節約できます。

3 つの製造例を使用して、シミュレーションを利用して過熱を回避する方法を説明します。これら 3 つの例は、選択的レーザー溶融においてエンジニアが遭遇する実際のシナリオに基づいています。

例 1: 単一レーザーデバイスとクアッドレーザーデバイス<br /> 単一レーザーデバイスとクアッドレーザーデバイスの唯一の違いは電力だと思われるかもしれません。しかし、シミュレーションにより、このプロセスは見た目よりもはるかに複雑であることが明らかになりました。

工具鋼製の金型の熱シミュレーションでは、機械にレーザーを 3 つ追加するとピーク温度が大幅に上昇することが示されました。単一レーザー機で製造された部品のピーク温度は約 162°C (324°F) でしたが、クアッドレーザー機ではピーク温度は 351°C (664°F) に達しました。

この高温の鋼鉄を急速に室温まで冷却すると、硬くて脆い鉄と炭素の固溶体であるマルテンサイトに変化します。この素材の性能も他の素材とは異なります。

この場合、シミュレーションにより、レーザーを多く使用すると部品の品質が変わり、後処理や最終アプリケーションでのパフォーマンスも変わることが明らかになりました。

このシミュレーションにより、この大きな部品を印刷するときに、単一レーザーマシンと 4 基のレーザーマシンが到達するピーク温度を比較できます。

例 2: 単一部分印刷と全画面印刷<br /> 熱シミュレーションが示しているように、ビルドプラットフォーム上の部品の数によって、部品の温度と質量が大幅に変化する可能性があります。

この現象を調査するために、9 つの部品を持つ印刷プラットフォームと 1 つの部品のみを持つ印刷プラットフォームを比較しました。これらの部品はすべて、同じ印刷設定を使用して同じマシンで 316L ステンレス鋼から作られました。温度ピークの差はかなり大きく、複数の部品を配置した後のピーク温度は 248°C (478°F) であるのに対し、単一の部品の温度ピークは 658°C (1216°F) にもなります。

テストの結果、単一の部品の印刷は、複数の部品がタイプセットされる生産環境を代表するものではないことが判明しました。したがって、温度が上昇すると熱変形や収縮がさらに進み、材料特性に違いが生じるため、部品の品質が同一であると想定すべきではありません。

複数の部品と単一の部品のレイアウトのシミュレーション例では、温度ピークの差が非常に大きいことがわかります。

例3: 高さの異なる部品

TC4 部品を囲む 8 本の引張試験バーを使用してシミュレーションを実行しました。引張ロッドの温度は 325°C (617°F) を超えることはありませんでしたが、部品自体は過熱し、上部領域の温度は 600 ～ 700°C (1112 ～ 1292°F) に達しました。根本的な原因は、上部領域での層あたりの印刷領域が縮小されたことで、印刷速度が速くなったことです。印刷速度を上げると、放熱時間が変わります。温度差により、たとえ同じジョブで製造されたとしても、部品と引張バーの材料特性が変化する可能性があります。

この経験は他の生産業務にも応用できます。部品の高さは引張試験バーの高さと異なるため、温度ピークに違いが生じます。正確なピーク温度を決定するには、プロセスをシミュレートするのが最適です。

部品と引張試験バーのシミュレーションでは、引張試験バーの温度は 300°C を超えなかったものの、実際の部品の上部領域はすでに過熱しており、温度は 600 ～ 700°C にも達していることが示されました。

選択的レーザー溶融技術を使用する際に、エンジニアが遭遇することが多いのが、これら 3 つの状況です。 Oqton の Amphyon ソフトウェアは、熱的に安定した印刷への適応型アプローチを含む正確な印刷速度分析と熱シミュレーションを通じて、エンジニアが部品製造中に予期しない問題を回避するのに役立ちます。

オクトン
Oqton は、AI とクラウドコンピューティングテクノロジーを活用してインテリジェントな自動製造ソリューションを開発し、製造企業のイノベーションと効率性の向上を実現することに重点を置いています。同社の製造 OS はエンジニアリング設計と生産現場の製造を結び付け、製造企業に組織全体にわたる完全な追跡可能性と可視性を提供します。 Geomagic、3DXpert、Amphyon ソフトウェアは、製造会社が分散したエンジニアリングと製造のタスクを迅速に接続し、リバースエンジニアリング、3D 検査、有機設計、3D 印刷、成形シミュレーションにおける複雑なエンジニアリングと製造のタスクを完了するのに役立ちます。

シミュレーションを使用してレーザー粉末床溶融結合の課題を克服する方法3つの制作例を読めばわかります！

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