研究者は高度なCFDツールを使用して溶融池の形態をシミュレートし、LPBFスラグ処理の問題を解決します。

この投稿は warrior bear によって 2024-12-24 16:47 に最後に編集されました。

最初のレーザー粉末床溶融結合 (LPBF) マシンは 1990 年代半ばに商業市場に登場しました。彼らはすぐに製造業の革命への道を開き、それが約 30 年後に、燃料ノズルや人工股関節からタービンブレードや熱交換器まで、数え切れないほどの金属部品の製造方法を変えました。
しかし、髪の毛ほどの直径のレーザー光線が金属粉末の微粒子に当たると、その温度が瞬時に華氏数千度まで上昇し、積層造形（AM）業界では溶融プールと呼ばれる状態になるという複雑な物理現象を研究者が理解し始めたのはごく最近のことである。
問題: レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) における下面のドロス形成初期解決策: 研究結果によると、レーザー経路を調整することでドロス形成と密度を低下させることができる次のステップ: シミュレーションによるドロスの予測により、印刷中にドロスを回避するためのリアルタイム調整が可能
モハマド・バヤット博士もその研究者の一人です。彼はデンマーク工科大学（DTU）の機械工学部の准教授であり、学術的キャリアを通じてこのミクロ分野の研究に取り組んでいます。彼と他の研究室の研究成果は、金属 AM マシンメーカーが製品を設計する方法や、OEM や大規模なサービス組織がそれらを運用する方法を変えると期待されています。
Bayat がこれらの複雑なプロセスをシミュレートするために使用する主なツールは、金属およびポリマー 3D 印刷プロセスのシミュレート専用に設計された、FlowScience Inc. の高度な数値流体力学 (CFD) ソフトウェアプラットフォームである Flow-3D AM です。
「私は博士論文のために有限要素ソフトウェアを使用して溶融池のダイナミクスをシミュレーションしていたのですが、液滴の衝突時に粒子の質量が何らかの理由で失われていることを発見しました」と彼は言います。「行き詰まってしまい、博士号のために積層造形の別の側面を研究することさえ考えていましたが、私たちのグループの教授の一人であるジョン・スパングンバーグ博士に相談しました。彼はFlow-3Dの新しいCFDソフトウェアについて聞いており、ライセンスを購入することに同意しました。それ以来、私たちはそれを使用しています。」
ドロス: 鋳造、製錬、溶接、または 3D 印刷中に溶融金属の表面に形成される不要な材料の領域。

それは 2018 年のことでしたが、それ以来、Bayat 氏は金属積層造形における CFD の使用に関する研究論文をいくつか発表しています。 Flow-3D ソフトウェアは、LPBF でよく見られる現象であるドロスに焦点を当てた最近公開された研究において、3D プリントの結果を予測する上で重要な役割を果たしました。
△部品の下向き領域にあるドロスを示す顕微鏡写真。この顕微鏡写真では、赤い線が CAD 設計の境界を示しています。その左側にある材料はすべてドロス、つまり下向きの表面にある余分な材料です。出典: AmalCharles、Mohamad Bayat 他
LPBFにおけるスラグ形成
バヤットは論文「レーザー粉末床溶融中の下向き表面でのスラグ形成の解明：現象論的マルチフィジックスシミュレーションと実験的検証」の中で、ドロス形成の原因とシミュレーションと実験結果の相関関係については、「下向き表面でのレーザー粉末床溶融におけるドロス形成の解明：現象指向型マルチフィジックスシミュレーションと実験検証」で検討されています。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102551
金属積層造形における下向き表面に関連する問題は古くから存在しており、機械メーカーは長い間その解決に取り組んできました。しかし、「スカム」という言葉はあまり知られていないかもしれません。ドロスは、溶解、鋳造、溶接中に溶融金属の表面に形成される不純物と長い間関連付けられてきましたが、LPBF、指向性エネルギー堆積法 (DED)、およびその他の特定の高エネルギー粉末金属付加製造技術に適用される場合、より広い定義を持ちます。
「ドロスとは、下向きの表面の予想される形状に合わない材料のことと考えてください」とバヤット氏は言います。「たとえば、30 度の角度で 3 mm の厚さのフィーチャを印刷しようとしたが、部品の厚さが 5 mm しか残らなかった場合は、その不正確さはドロスによるものと考えられます。ドロスは、張り出した部分の底からぶら下がっている凍った材料の滴だと考えてください。」
Bayat 氏の論文に述べられているように、スラグ形成は主に、粉末の熱伝導率が低いことと、その結果として溶融池から熱を伝導できないことが原因で、「顕著なドリル効果を伴う鍵穴のような溶融パターン」が生じます。その結果は？寸法のばらつき、表面粗度の高さ、そしておそらく金属積層造形法で製造される荷重支持部品のメーカーにとって最も重要なのは、機械的特性の低下や多孔性などの欠陥です。
△下面のスラグによる空隙を示す断面図。出典: Amal Charles、Mohamad Bayat 他
チームワーク
バヤットの研究は、この論文には、元顧問のイェスパー・ハッテル博士、カールスルーエ工科大学の同僚数名、そしてベルギーのルーベンにある3Dシステムズ社の施設で材料およびプロセス開発エンジニアリングマネージャーを務めるロレ・タイス博士の寄稿が引用されている。全員が作業に関わっていましたが、Thijs 氏と 3D Systems 社がこのプロジェクトの産業パートナーでした。
「博士課程在籍中、私はEUの研究機関PAM²（Precision Additive Metal Manufacturingの略）に所属していました」とバヤット氏は説明します。「ローレ氏はルーヴェン・カトリック大学在学中にこの分野の先駆者となり、選択的レーザー溶融法で製造された金属部品の微細構造に関する最初の論文の1つを発表しました。彼女は現在PAM²の取締役を務めており、このプロジェクトの立ち上げに尽力しました。」
Thijs 氏の関与は驚くべきことではありません。傾斜したほぼ水平の表面を正確かつ予測通りに印刷することが、多くの金属 AM システムの基準となっているからです。ドロスの形成を制御できるシステムは、より高品質の部品を生産できるだけでなく、ビルドサポートの必要性を減らすか、完全になくすこともできるため、製造コストを削減できます。
シミュレーションで結果を確認する
バヤット氏と彼のチームは、直径約1インチでグレード23のTi6Al4Vチタン合金製のテント型のテスト部品を設計することから研究プロジェクトを開始しました。部品は 3D Systems の 3DXpert ビルドソフトウェアを使用して前処理され、その後、同社の ProX DMP 320 ダイレクトメタル 3D プリンターの 1 つに転送されました。下向きの領域を除き、標準的な印刷パラメータが使用されました。下向きの領域には、スカムの形成を確実にするための「高エネルギー」モードなど、さまざまなレベルのレーザー出力が適用されました。その後、テストサンプルは洗浄、切断、研磨され、その後、光学顕微鏡と走査型電子顕微鏡を使用して検査されました。
物理テストサンプルで見つかったキーホール、ボイド、不正確さは、Flow-3D AM によって以前に予測されたものと同様であり、仮想モデルで使用された入力パラメータが正しいことが検証されました。「高度なシミュレーションにより、これらのオーバーハング欠陥の背後にある根本的なメカニズムを発見することができました。この 2 つを関連付けたので、修正方法を検討できます」と Bayat 氏は言います。「最終的な目標は、構築プロセス中に現場からのフィードバックに基づいてリアルタイムで調整を行うことですが、これには追加の作業が必要になります。」
△CFDモデルで予測した軌道形状温度プロファイルと実験結果の比較。出典: Amal Charles、Mohamad Bayat 他
この技術が利用可能になる前に、バヤットは、事前にプログラムされたレーザー経路を調整することで大きなメリットが得られる可能性があることを発見しました。論文が指摘しているように、各スキャンベクトルの終了時にレーザーが減速することがキーホール効果の主な原因であり、「隣接するレーザースキャン間を移動するときにレーザー出力をオフにするスキャン戦略 (いわゆる空中直接レーザーパスモード) は、スラグ形成を減らし密度を向上させるのに効果的です。したがって、パラメーターの最適化に関するさらなる研究と、下部領域に面した新しいスキャン戦略の開発が必要です。」
研究の拡大
Bayat 氏と DTU のチームは、高度なシミュレーションを使用して、他の付加製造実験を検証しています。彼らの以前の論文の 1 つ、「マルエージング鋼の指向性エネルギー堆積中の熱と流体の流れの条件に対する粉末流の役割について - マルチフィジックスモデリングと実験検証」では、部品の修復、表面強化、および「機能的に傾斜した」サンドイッチ金属の製造に広く使用されている金属 AM 技術である DED において、粉末流の速度が熱と流体の流れの条件にどのように影響するかについて説明しました。
ここで、Flow-3D AM で構築されたモデルは、凝固、蒸発、および 2 つの流体の界面に表面張力の勾配が存在する場合に発生する物理現象として説明されるマランゴニ効果などのさまざまな物理現象を説明するのに役立ちます。 DTU の研究者は、熱画像カメラと光学顕微鏡を使用して、シミュレーション結果が物理的な測定値と「よく一致」していることを示しました。さらに、研究チームは、粒子の速度を上げることで、3Dプリントしたトラックのアスペクト比を2倍以上にできることを発見した。この発見は、異世界での応用が期待できる。
「私たちは最近、Lunar Print というプロジェクトへの資金援助を申請しました」と彼は言います。「私たちは実際に、DED のようなプロセスを使用して、月の砂を 7 層または 8 層印刷することに成功しました。成功すれば、宇宙飛行士は手元にある原材料を使用して月の居住施設を 3D 印刷できるようになります。ここでの私たちのほとんどの作業と同様に、Flow-3D AM は私たちの実験の検証とガイドとして重要な役割を果たすでしょう。」

研究者は高度なCFDツールを使用して溶融池の形態をシミュレートし、LPBFスラグ処理の問題を解決します。

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