清華大学とシンガポール国立大学は、流体の流れが金属3Dプリントにおける樹枝状結晶の成長にどのように影響するかを研究している。

清華大学とシンガポール国立大学は、流体の流れが金属3Dプリントにおける樹枝状結晶の成長にどのように影響するかを研究している。
この投稿は Bingdunxiong によって 2022-5-31 11:20 に最後に編集されました

南極のクマの紹介: 金属 3D プリントは急速に発展しています。この技術の発展に伴い、木目構造がプリント結果のさまざまなパラメータに大きな影響を与えることがわかりました。

2022年5月31日、清華大学とシンガポール国立大学の研究者は、流体の流れが金属3Dプリント部品の機械的特性に与える影響を研究しています。

△コバルト-サマリウム-銅合金の3Dデンドライト構造のSEM画像 レーザー粉末床溶融結合などの金属3D印刷技術では、印刷された部品内の新しい粒子とデンドライトの形成を制御することが、最終的な粒子構造を調整するために重要です。彼らは、結晶構造と結晶粒径が、硬度、降伏強度、引張強度、疲労強度、衝撃強度など、ほぼすべての機械的特性に大きな影響を与えるため、これが重要であると説明しています。

3D プリントにおける新しい粒子と樹枝状結晶の形成に影響を与える要因とパラメータは多数ありますが、その中で温度勾配と凝固速度が主な決定要因であると考えられています。しかし、研究者らによると、3Dプリントにおける流体の流れの影響はこれまで研究されたことがないという。

CFD による樹枝状成長のシミュレーション<br /> 冶金学におけるデンドライトは、溶融金属が凝固するにつれて成長し、伝播する典型的な樹木状の結晶構造です。結晶粒度と同様に、デンドライトの成長は金属部品の機械的特性に大きな影響を与える可能性があります。

流体の流れの影響を研究するために、研究チームは数値流体力学 (CFD) モデルを使用して、流れる液体溶融プール内のデンドライトの成長をシミュレートしました。このモデルは、広範囲の温度勾配と凝固速度(0、0.2、0.4 m/s の流量)をカバーし、包括性を実現します。流体の流れと樹状突起の成長を結び付けるために、チームは CFD モデルとマルチグリッド樹状突起発達モデルを双方向に結合しました。

研究チームはモデルを補完するために実験的手法も使用し、レーザーと電子ビームを使用してインコネル 718 サンプルのシングルトラックテストを実行しました。

その後の数値モデリング プロセスでは、さまざまな構築方向と凝固条件によるさまざまな流動条件下でのデンドライトの成長をシミュレートしました。さらに、物理実験の流れ場と温度データを使用して、溶融プールサイズのデンドライト成長をシミュレートしました。

△ CFDシミュレーションによる樹状突起構造
流体の流れは樹状突起の成長にどのように影響しますか?
結果から、溶融池の境界での温度勾配が高いほど、最も高いデンドライトの先端と冷たい表面の間の距離が長くなることがわかります。

シミュレーション結果によると、流体の流れと凝固速度は、金属 3D プリントにおける樹枝状結晶と新しい粒子の形成に非常に大きな影響を与えることが示されています。効果は従来の鋳造プロセスの場合と同様です。

研究チームは、この発見が温度勾配と凝固速度に基づく核形成理論への有用な洞察をもたらす可能性があると考えている。最終的には、金属 3D プリント中に粒子構造 (および機械的特性) をさらに細かく制御できるようになります。

この研究の詳細は、「付加製造における流体の流れがデンドライト成長と新しい粒子形成に与える影響」という論文でご覧いただけます(ここをクリックして転送してください)
△ シミュレートされたデンドライト XZ および YZ セクションにおける Nb 分布の比較 金属 3D プリント製造分野の研究範囲は広範囲かつ驚くべきものです。今月、タリン工科大学とエストニア先端材料研究所の研究者らが、磁気コアの効率を確保する3Dプリントの問題を解決する新しい技術を開発しました。研究チームは、軟磁性複合材料よりも優れた磁気特性を生み出せると主張するレーザーベースの3Dプリントワークフローを提案しました。

一方、バージニア工科大学は最近、3D プリント技術開発企業 MELD Manufacturing と提携し、同社の 3D プリント摩擦撹拌堆積技術を進化させました。

金属3Dプリントの発展により、金型不要のカスタマイズの利点に加え、この技術は従来の金属加工技術に比べて印刷効率と印刷品質が大幅に向上しました。従来のプロセスでは製造できない非常に複雑で高精度な部品の印刷も完成でき、将来的には無限の発展の可能性を秘めています。


金属 3D プリント、清華大学、科学研究、流体の流れ

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