Laser Based Processes: LPBF
LPBFの多くの側面は、CFDシミュレーションを通じて、理解し最適化することができます。
Particle Spreading
LPBFの最初のステップは、指定したレイヤーの高さと所望するパウダーベッド密度で所定の材料のパウダーベッドを造形することです。 FLOW-3D® DEMによって、研究者はサイズ分布、材料物性、凝縮効果を含むパウダーの広がりと圧縮および、ローラーやブレードの運動のような幾何形状の運動の相互作用を理解することができます。 これらのシミュレーションにより、プロセスパラメータが充填密度などの粉体層の特性にどのように影響するかを正確に理解することができ、その後のプロセスにおけるメルトプールダイナミクスに直接影響を与えることになります。
※「FLOW-3D DEM」の名称、ロゴは米国フローサイエンス社の登録商標です。
Melting
DEM解析でパウダーベッドが形成されると、STLファイルとして取り出すことができます。 次のステップは、CFDを用いたレーザ溶融プロセスのシミュレーションです。 ここで、我々はレーザビームとパウダーベッドの相互作用をモデル化します。 このプロセスを精度よくとらえるために、粘性流、メルトプールでのレーザの反射(レイトレーシング)、熱伝導、気液相変化、蒸発反力、シールドガス、表面張力などの物理モデルを含みます。 この複雑な問題を精度良く解析するために、これらの物理モデルのすべては、TruVOF方式の上に構築されています。
Multilayer
溶融池が凝固すると、DEMは、凝固した層の上の新しいパウダー層の広がりを解析するために使用することができます。 同様に、レーザ溶融を新しいパウダー層で実施し、新しい層とその前の相の混合状況を解析することができます。
LPBFで下の層が溶融し堆積するとき、温度勾配、冷却速度、固相率は、各層の混合状況、微細構造および最終的な部品の形状にに大きな影響を与えます。 FLOW-3D® AMでは、粉体物理とレーザと材料の相互作用の両方について、メルトプールスケールで高忠実度のシミュレーションを行い、結果として生じる融合、熱プロファイル、追加層の堆積による凝固を理解することができます。 さらに、研究者は、製品の質に妥協することなく、生産効率を高めるためにレーザパラメータを最適化する、次のレイヤーのscan strategyの影響をみることができます。
※「FLOW-3D AM」の名称、ロゴは米国フローサイエンス社の登録商標です。
Keyholing in LPBF
キーホールではどのようにポロシティが形成されるのか？ これは、TU Denmarkの研究者がFLOW-3D® AMを用いて答えた質問です。 レーザビームの加熱によって基板が溶融すると、蒸発と相変化による反力が溶融池を押し下げます。 蒸発反力による下降流と、レーザ反射による追加のレーザエネルギー吸収が共存することで、runaway 効果が発生し、メルトプールがキーホールに移行するのです。 最終的には、キーホール壁に沿った温度の変化によって、表面張力が壁面にピンチオフを生じさせ、その結果として、前進している凝固フロントにボイドをトラップさせ、ポロシティを生じさせます。 FLOW-3D® AM は、レーザパウダーベッドの混合プロセスの中で、キーホールおよびポロシティ形成を解析する絶えに必要なすべての物理モデルを持ち合わせています。
Scan Strategy
Scan strategies は、冷却速度と温度勾配に影響するため、微細構造に直接影響します。 研究者は、FLOW-3D® AM を使用して、欠陥を形成と凝固した金属の微細構造に影響を及ぼすトラックの間の再凝固を理解し、最適な Scan strategies を模索しています。 FLOW-3D® AM は、１もしくは複数のレーザに対して、時間依存の速度を実装することで、十分な柔軟性を備えています。
Beam Shaping
レーザパワーと Scan strategies に加え、レーザビーム形状と熱流束分布は、LPBF プロセスの中で溶融池の形状に大きな影響を与えます。 AM マシンメーカーは、プロセスの安定性とスループットのためにマルチコアおよび任意の形状のレーザビームの使い方を模索しています。 FLOW-3D® AM では、マルチコアと任意形状ビームプロファイルを実装することができます。これにより、生産効率を向上し、部品の質を改善するための最適な条件に対する洞察を与えます。
Multi-material Powder Bed Fusion
このシミュレーションの中で、ステンレス鋼およびアルミパウダーは、独立に定義した温度依存物性値を持っている。これにより FLOW-3D® AM は、精度よく溶融池のダイナミクスをとらえることができます。 このシミュレーションは、溶融池の中の物質の混合の理解を支援します。