[論文レビュー] A thermo-mechanical phase-field fracture model: application to hot cracking simulations in additive manufacturing

Hui Ruan, Shahed Rezaei+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2022

Solidification and crystal growth phenomena被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、金属アディティブマニュファクチャリングにおけるホットクラックのシミュレーションを目的として、熱的・機械的・破壊物理学を有限要素法による実装により統合した、熱力学的に整合性のある熱機械的フェーズフィールド破壊モデルを提示する。モデルは、凝固収縮が円周方向クラックを支配すること、熱勾配が中心クラックを引き起こすこと、および、レーザー出力とスキャン速度の変動下での実験的ホットクラックパターンと一致する予測を示している。

ABSTRACT

Thermal fracture is prevalent in many engineering problems and is one of the most devastating defects in metal additive manufacturing. Due to the interactive underlying physics involved, the computational simulation of such a process is challenging. In this work, we propose a thermo-mechanical phase-field fracture model, which is based on a thermodynamically consistent derivation. The influence of different coupling terms such as damage-informed thermomechanics and heat conduction and temperature-dependent fracture properties, as well as different phase-field fracture formulations, are discussed. Finally, the model is implemented in the finite element method and applied to simulate the hot cracking in additive manufacturing. Thereby not only the thermal strain but also the solidification shrinkage are considered. As for thermal history, various predicted thermal profiles, including analytical solution and numerical thermal temperature profile around the melting pool, are regarded, whereas the latter includes the influence of different process parameters. The studies reveal that the solidification shrinkage strain takes a dominant role in the formation of the circumferential crack, while the temperature gradient is mostly responsible for the central crack. Process parameter study demonstrates further that a higher laser power and slower scanning speed are favorable for keyhole mode hot cracking while a lower laser power and quicker scanning speed tend to form the conduction mode cracking. The numerical predictions of the hot cracking patterns are in good agreement with similar experimental observations, showing the capability of the model for further studies.

研究の動機と目的

• アディティブマニュファクチャリングのための、熱的・機械的・破壊物理学を統合した熱力学的に整合性のあるフェーズフィールド破壊モデルの開発。
• 損傷に依存する熱力学的力学、温度依存の破壊靭性、および異なるフェーズフィールド定式化のクラック形成への影響の調査。
• 熱応力と凝固収縮を考慮した、パウダーベッドフォージョンプロセスにおけるホットクラックのシミュレーション。
• レーザー出力やスキャン速度といったプロセスパラメータの変動が、クラックの形状および形成メカニズムに与える影響の評価。
• 伝導モードおよびキーホールモード処理下での予測クラックパターンと実験的観察を比較することで、モデルの妥当性の検証。

提案手法

• 熱力学的原則に基づくフェーズフィールド破壊モデルを定式化し、エネルギーおよびエントロピーのバランスに整合性を確保する。
• 損傷に依存する熱的性質と温度依存の破壊靭性を組み込んだ熱伝導の統合。
• 熱力学の第一および第二法則から支配方程式を導出し、エネルギーおよびエントロピーの不等式を含む。
• 拡張された外部仕事項を介して微小な引っ張り力および内部微小力を取り入れ、クラック表面相互作用をモデル化。
• 空間的離散化および連成熱機械的フェーズフィールド系の時間積分に有限要素法を用いる。
• 解析的解および異なるプロセスパラメータを用いた溶融プールシミュレーションからの数値計算温度場を含む、複数の熱的プロファイルを実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 損傷に依存する熱力学的力学や温度依存の破壊靭性といった異なる結合項が、アディティブマニュファクチャリングにおけるクラック核生成および拡大に与える影響は何か。
• RQ2 熱応力と凝固収縮のうち、円周方向および中心クラックパターンに寄与する相対的な寄与度は何か。
• RQ3 レーザー出力とスキャン速度の変化が、伝導モードとキーホールモードのホットクラックの間の遷移に与える影響は何か。
• RQ4 フェーズフィールドモデルが、単一トラックレーザー溶融における実験的観察されたホットクラック形状をどの程度正確に予測できるか。
• RQ5 熱勾配が溶融プール領域におけるクラックの向きおよびクラック経路選択に与える影響は何か。

主な発見

• 凝固収縮ひずみが、溶融プール内での円周方向クラック形成の主因である。
• 熱勾配が、キーホールモード処理における中心クラック発生の主な要因である。
• 高いレーザー出力と低いスキャン速度は、円周方向および中心クラックを特徴とするキーホールモードホットクラックを促進する。
• 低いレーザー出力と高いスキャン速度は、主に円周方向クラックを示す伝導モードクラックを促進する。
• クラックパターンの数値予測は、実験的観察と強く一致しており、モデルの予測能力が妥当であることを裏付けている。
• 温度依存の破壊靭性および損傷に依存する熱伝導の組み込みにより、シミュレーションの物理的忠実度が著しく向上している。