[論文レビュー] Mechanism of keyhole pore formation in metal additive manufacturing

Lu Wang, Yanming Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、レーザー基盤金属アディティブマニュファクチャリングにおけるキーホール孔形成をシミュレートするためのマルチフィジックス熱流体モデルを提案する。その結果、孔形成はキーホール不安定性と凝固前線における気泡ピンチングに起因することが明らかになった。主な発見は、不均一なリcoil圧力と変動するエネルギー吸収率がキーホールの崩壊と孔生成を引き起こす一方、低気圧環境はリcoil圧力を増大させ、形状歪みを低減することでキーホールを安定化させ、孔の発生を抑制することである。

ABSTRACT

Metal additive manufacturing has gained extensive attention from research institutes and companies to fabricate intricate parts and functionally graded materials. However, the porosity of the as-built part deteriorates the mechanical property and even hinders the further application of metal additive manufacturing. Particularly, the mechanisms of keyhole pores associated with the keyhole fluctuation are not fully understood. To reveal the mechanisms of the keyhole pores formation, we adopt a multiphysics thermal-fluid flow model incorporating heat transfer, liquid flow, metal evaporation, Marangoni effect, and Darcy's law to simulate the keyhole pore formation process, and the results are validated with the in-situ X-ray images. The simulation results present the instant bubble formation due to the keyhole instability and motion of the instant bubble when it pins on the solidification front. Moreover, the unevenly distributed recoil pressure on the keyhole surface is an important factor for keyhole collapse and penetration. Furthermore, comparing the keyhole pore formation under different laser scanning speeds shows that the keyhole pore is sensitive to the manufacturing parameters. The keyhole fluctuation features and energy absorptivity variation on the rear keyhole wall could be metrics to evaluate the likelihood of the keyhole pore formation. Additionally, the simulation under a low ambient pressure shows the feasibility of improving the keyhole stability to reduce and even avoid the formation of keyhole pores.

研究の動機と目的

• レーザー基盤金属アディティブマニュファクチャリング中のキーホール溶融モードにおけるキーホール孔形成の背後にあるメカニズムを理解すること。
• 特にキーホール不安定性および動的力の役割を含め、キーホール孔形成の直接観察および定量的説明の不足に対処すること。
• 特にレーザースキャン速度を含む製造パラメータがキーホール孔形成および安定性に与える影響を評価すること。
• 低気圧条件によるキーホール孔の低減または除去の可能性を調査すること。
• 物理的整合性と正確性を確保するため、シミュレーション結果をin-situ X線イメージングデータと照合して検証すること。

提案手法

• 熱伝導、非圧縮性ニュートン流体の流れ、マランゴニ対流、金属蒸発、およびムーシー領域の抵抗を表すダルシーの法則を統合したマルチフィジックス熱流体モデルの開発。
• 幾何形状と入射角に基づき、キーホール表面における空間的に変化するエネルギー吸収率を計算するためのレーザーレイトレーシングの統合。
• 溶融プール内の浮力力と温度依存表面張力に起因する表面張力勾配をモデル化するためのボウシネスク近似の適用。
• 固体化する枝晶が生じるムーシー領域における抵抗をシミュレートするためのダルシー＝フォルシャイマー・モデルの適用。この抵抗は気泡の運動およびキーホールの揺らぎに影響を与える。
• 異なるレーザースキャン速度および大気圧（1 atm 対 10⁻⁴ atm）の下でのキーホールダイナミクスのシミュレーションにより、感度および安定性を評価。
• 物理的正確性を保証するため、シミュレートされた瞬間的な気泡生成およびピンチング行動をin-situ X線イメージングデータと照合して検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー基盤金属アディティブマニュファクチャリング中にキーホール孔が形成される物理的メカニズムは何か？
• RQ2 特に不均一なリcoil圧力分布に起因するキーホール不安定性が、キーホールの崩壊および孔核生成にどのように寄与するか？
• RQ3 溶融プール内の流れおよびムーシー領域からの抗力が、気泡を捕捉し孔を形成する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ4 レーザースキャン速度の変化がキーホール孔のサイズ、形状、および分布に与える影響は何か？
• RQ5 低気圧環境がキーホール幾何学的形状を安定化させ、リcoil圧力を増大させることで、キーホール孔の形成を低減または排除できるか？

主な発見

• キーホール孔形成は2段階に分けられる：(1) 不均一なリcoil圧力に起因する後方キーホール壁に作用する力の不均衡により瞬時に気泡が生成され、(2) 溶融プール底部の高い下降流速が垂直方向の抗力を作り出し、気泡が凝固前線にピンチングされる。
• ムーシー領域からの抗力は、溶融プール底部におけるキーホールの揺らぎを決定づける上で極めて重要であり、粒子の微細構造を組み込んだダルシー抗力モデルの導入が、正確なシミュレーションに不可欠である。
• レーザースキャン速度が増加するにつれてキーホール孔のサイズは顕著に減少し、孔はより球形になり、溶融プール底部に水平方向に分布するようになる。
• 特に後方キーホール壁におけるキーホール深さおよびエネルギー吸収率の揺らぎは、孔形成の可能性を示す強力な指標であり、標準偏差が低いほど孔の発生が減少する傾向にある。
• 低気圧環境（10⁻⁴ atm）では、後方キーホール壁へのリcoil圧力が増大し、キーホール形状が安定化し、エネルギー吸収率の揺らぎが低減される。その結果、シミュレーションでキーホール孔は観察されなかった。
• 低気圧環境下では、大気圧下に比べてエネルギー吸収率の標準偏差が低く抑えられ、キーホール歪みが低減され、安定性が向上していることが示唆されている。