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Scientific Reports 13권, 기사 번호: 17535(2023) 이 기사 인용

측정항목 세부정보

적층 제조를 위한 효율적인 열 구조 수치 솔버는 에너지 보존 방정식을 미분 형태로 풀기 위해 수정된 라그랑주 접근법을 기반으로 개발되었습니다. 열 전달은 변형 라그랑지안 메시에 적용된 유한 차분 방법을 사용하여 모델링됩니다. 재료의 탄소성 거동을 모델링하기 위해 제안된 효과적인 준탄성 미분 접근법을 통해 구조 솔버가 향상되었습니다. 알고리즘은 구현하기가 비교적 간단하지만 매우 효과적입니다. 솔버는 레이저 파우더 베드 융합 기술을 사용하여 인쇄된 금속 부품의 형태 변형을 예측할 수 있습니다. 솔버의 두 번째 주요 기능은 인쇄할 표면의 수정된 형상을 제안하여 3D 인쇄된 부품의 왜곡을 자동으로 보상하는 것입니다. - 최적의 작동 조건 또는 복잡한 형상에 적합합니다. 모든 시뮬레이션 결과는 10~15mm, 최대 40mm 크기의 3D 부품에 대한 실제 실험에서 검증되었습니다.

적층 가공(AM)은 제품 설계 및 제조 방식에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 지닌 빠르게 성장하는 기술입니다. 예측 시뮬레이션은 실제 생산 전에 제조된 부품의 성능을 평가할 수 있으므로 AM에서 중요한 역할을 합니다. 레이저 분말층 융합(LPBF)은 레이저를 사용하여 분말을 원하는 모양으로 녹이는 기능성 금속 부품을 만드는 데 가장 널리 사용되는 3D 프린팅 방법입니다.

LPBF 기술을 통한 금속 부품 생산의 중요한 과제는 좌굴과 변형을 유발할 수 있는 잔류 응력의 형성에 있습니다. 잔류 응력은 상당한 소성 변형 동안 금속 합금의 결정 구조가 완화되면서 나타납니다. 사소한 소성 변형이라도 결정립 경계1,2에 축적되는 전위 밀도 증가에 기여합니다. 더욱이, 성장 과정에서 가열이 고르지 않으면 상당한 형태 변형이 발생합니다. 이 문제를 해결하기 위해 인쇄 조건을 실험적으로 조정하는 것은 복잡하고 비용이 많이 드는 절차입니다. 이를 위해서는 실험 설정 내에서 다양한 매개변수를 고려하고, 열 부하 하에서 특정 재료의 거동을 이해하고, 다양한 금속 분말의 영향을 고려해야 합니다. 결과적으로, 3D 프린팅 프로세스의 수치 모델링은 이러한 문제를 해결하기 위한 최적의 솔루션으로 떠오릅니다.

시뮬레이션 소프트웨어 패키지를 활용하면 LPBF에서 생산된 금속 합금 부품의 형상 변형을 수정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 분말 증착, 레이저 가열, 냉각 및 후속 상전이를 포함하는 전체 3D 프린팅 프로세스를 수치적으로 모델링함으로써 소프트웨어 패키지는 거시적 규모의 형상 변형 및 미시적 규모 결함의 잠재적 영역을 식별할 수 있을 뿐만 아니라 수정 전략을 제안할 수 있습니다. 아니면 제거하세요. 특히, 시뮬레이션에서는 파우더 베드 내에서 원하는 온도 분포를 달성하기 위해 레이저 매개변수와 파우더 공급 속도를 조정할 것을 권장할 수 있습니다. 이를 통해 파우더 베드의 모양을 더 잘 제어하고 잔류 응력을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 불균일성 및 체적 결함과 같은 표면 및 체적 결함을 해결할 수 있습니다. 부분 용융 영역의 원하지 않는 다공성. 일반적으로 AM용 시뮬레이션 소프트웨어는 3D 프린팅 부품의 설계 및 생산을 개선하는 데 유용한 도구 역할을 합니다. 그러나 비용, 복잡성, 결과의 정확성 등 이러한 유형의 소프트웨어 사용과 관련된 단점을 인정하는 것이 중요합니다.

적층 가공을 위한 새롭고 향상된 소프트웨어 패키지 개발에는 상당한 도약이 있습니다. 대규모 공급업체가 이 연구에 기여하고 있습니다. 예를 들어 AlphaSTAR3는 적층 가공을 위한 강력한 시뮬레이션 제품입니다. 설계부터 후처리까지 전체 AM 프로세스를 시뮬레이션하기 위한 포괄적인 도구 모음을 제공합니다. 3D 프린팅 시뮬레이션, 재료 선택, 프로세스 최적화를 포함한 광범위한 기능을 제공합니다. ESPRIT Additive PBF4는 적층 제조를 위한 또 다른 훌륭한 시뮬레이션 제품입니다. 여기에는 재료 및 프로세스 라이브러리가 포함되어 있어 사용자가 설계를 빠르고 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. Oqton5는 AM 프로세스를 시뮬레이션하기 위한 도구 모음을 제공합니다. Whole, AlphaSTAR, ESPRIT Additive PBF 및 Oqton은 적층 제조를 위한 탁월한 시뮬레이션 제품입니다. 또한 자동화된 설계 최적화 및 다양한 재료 지원과 같은 다양한 고급 기능을 제공합니다. 이러한 패키지 중 다수는 유한 요소법(FEM)6을 활용하여 필요한 모든 지배 방정식을 해결합니다. 이 방법은 복잡한 특성을 가진 재료의 거동을 예측하는 데 특히 적합하며, 유한 차분 방법(FDM)7 및 유한 체적 방법(FVM)8은 대규모 시스템의 거동을 예측하는 데 더 적합합니다. 또한 이러한 방법을 결합하고 함께 사용하여 AM 프로세스를 최적화할 수 있습니다.