合金固液相変化を解析する指向性エネルギー堆積法シミュレータの開発

开发用于分析合金固液相变的定向能量沉积模拟器

基本信息

批准号：
16H07174
负责人：
小池綾
金额：
$ 1.91万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-08-26 至 2018-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

金属材料の3次元造形に適した指向性エネルギー堆積法(DED: Direct Energy Deposition)の時間領域シミュレータを開発するにあたり，本研究では熱伝導，レーザー，キャリアガス，固液相変化といったDEDプロセスに含まれる物理現象を解析するアルゴリズムを個々に作成し，これらのモジュールを統合する．開発したDED時間領域シミュレータを用いて，造形物内部の空孔や残留応力の発生メカニズムを明らかにし，造形物の形状精度向上も評価に含め造形条件の最適化を行う．本年度の成果としては，熱伝導モジュールとレーザーモジュールの開発に注力し，両者を統合した加工点温度予測アルゴリズムを構築した．DEDにおける造形精度低下の主要因として，加工点の溶融金属の表面張力が過加熱によって低下すること挙げられる．開発した加工点温度予測アルゴリズムは造形条件から造形物内部の温度分布を時間領域で解析できる．本研究ではこれを逆算的に利用することで，加工点の温度を一定に保つレーザー出力計算法を提案した．算出したレーザー出力をDED造形に利用した結果，高層造形時の過加熱の抑制に成功し，造形物の形状誤差が大幅に低減することが実験的に明らかとなった．また，造形条件ごとの空孔発生率の評価実験は完了しており，高レーザー出力，少材料粉末供給といった加工点温度を安定して高められる造形条件が空孔の発生を抑制できることを示している．これらの研究成果をもとに，3回の国際会議発表と4回の国内会議発表を行い，国際誌への論文投稿を行っている．現在，粒子法に基づく流体解析法の開発に着手し，温度に応じた粘性，表面張力特性を粒子に与えることで溶融金属の流動解析法の確立を目指している．今後の予定としては，溶融金属の流動解析を開発した加工点温度予測アルゴリズムに統合し，造形物内部の空孔発生メカニズムを理論的に明らかにする．

在开发适用于金属材料三维建模的直接能量沉积（DED）的时域模拟器时，该研究将创建单个算法，用于分析DED过程中包含的物理现象，例如热传导，激光，载体，载气和固定相位变化，并集成这些模块。使用开发的DED时域模拟器，我们阐明了对象内部产生空隙和残留应力的机制，并优化了建模条件，包括提高对象在评估中的形状准确性。今年的结果集中在开发热传导模块和激光模块上，并构建了整合两者的加工点温度预测算法。 DED建模准确性下降的主要因素是，由于过热导致加工点上熔融金属的表面张力降低。开发的加工点温度预测算法可以根据建模条件分析时间域中对象内部的温度分布。在这项研究中，我们提出了一种激光计算方法，该方法通过以相反的方式使用它在处理点常数处保持温度。计算出的激光输出用于DED建模，并且在实验上揭示了在高层建模过程中成功抑制了过热，并且形状对象的形状误差显着降低。此外，已经完成了每种建模条件空缺率的评估实验，表明形成条件（例如高激光功率和少量材料粉末供应）可以稳定地升高加工点的温度，可以抑制空缺的产生。基于这些研究结果，已经提出了三次国际会议和四次国内会议，并向国际期刊提交了论文。当前，我们开始基于粒子方法开发一种流体分析方法，并旨在通过提供粘度和表面张力特性来建立一种分析熔融金属流动的方法，该方法与温度相对应。未来的计划包括将熔融金属流量分析整合到一个处理点温度预测算法中，从理论上阐明了结构内部空位产生的机理。