[논문 리뷰] A thermo-mechanical phase-field fracture model: application to hot cracking simulations in additive manufacturing

Hui Ruan, Shahed Rezaei외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 03.

Solidification and crystal growth phenomena인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 열역학적으로 일관된 열기계적 단편화 모델을 제안하여 금속 적층 제조에서의 뜨거운 균열을 시뮬레이션한다. 유한요소 해석을 통해 열, 기계적, 균열 물리학을 통합한다. 모델은 응고 수축이 원형 균열을 지배함을 드러내며, 열기계적 기울기가 중심 균열을 이끄는 것으로 나타났다. 예측 결과는 레이저 출력과 스캐닝 속도 변화에 따른 실험적 뜨거운 균열 패atters와 일치한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 적층 제조를 위한 열역학적으로 일관된 단편화 모델을 개발하여 열, 기계적, 균열 물리학을 결합한다.
• 손상에 기초한 열기계학, 온도에 의존하는 균열 특성, 그리고 다양한 단편화 모델 형식이 균열 형성에 미치는 영향을 조사한다.
• 열변형과 응고 수축을 고려하여 분말 베드 융합 공정에서의 뜨거운 균열을 시뮬레이션한다.
• 레이저 출력 및 스캐닝 속도와 같은 공정 매개변수의 변화가 균열 형태와 형성 메커니즘에 미치는 영향을 평가한다.
• 전도 모드 및 키홀 모드 가공 조건에서 예측된 균열 패턴을 실험 관측 결과와 비교하여 모델을 검증한다.

제안 방법

• 열역학 원칙에 기반한 단편화 모델을 수립하여 에너지 및 엔트로피 균형의 일관성을 확보한다.
• 손상에 의존하는 열적 성질과 온도에 의존하는 균열 토성의 열전도를 통합한다.
• 열역학 제1법칙과 제2법칙에서 유도된 제어 방정식을 도출하며, 에너지 및 엔트로피 부등식을 포함한다.
• 균열 표면 상호작용을 모의하기 위해 확장된 외부 일 작업 항을 통해 미세 물체력과 내부 미세력 항을 통합한다.
• 유한요소법을 사용하여 열기계적 단편화 시스템의 공간 이산화 및 시간 적분을 수행한다.
• 분석적 해와 다양한 공정 매개변수를 가진 용융 풀 시뮬레이션에서 수치적으로 계산된 온도장과 함께 여러 가지 열 프로파일을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 손상에 기초한 열기계학과 온도에 의존하는 균열 특성과 같은 다양한 결합 항은 적층 제조에서 균열 핵형 및 전파에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 원형 균열과 중심 균열 패턴에 있어 열변형과 응고 수축의 상대 기여도는 각각 얼마인가?
• RQ3 레이저 출력과 스캐닝 속도의 변화가 전도 모드와 키홀 모드 간의 뜨거운 균열 전이에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 단일 트랙 레이저 용융에서 실험적으로 관측된 뜨거운 균열 형태를 단편화 모델이 어느 정도 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 열기계적 기울기는 용융 풀 영역에서 균열 방향과 균열 경로 선택에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 응고 수축 변형이 용융 풀 내 원형 균열 형성의 주요 원인이다.
• 열기계적 기울기가 키홀 모드 가공에서 중심 균열 형성의 주요 원인이다.
• 높은 레이저 출력과 낮은 스캐닝 속도는 원형 균열과 중심 균열을 모두 포함하는 키홀 모드 뜨거운 균열을 촉진한다.
• 낮은 레이저 출력과 높은 스캐닝 속도는 전도 모드 균열을 유도하며 주로 원형 균열로 나타난다.
• 균열 패턴의 수치적 예측 결과는 실험 관측 결과와 강한 일치를 보이며, 모델의 예측 능력을 검증한다.
• 온도에 의존하는 균열 특성과 손상에 기초한 열전도를 통합함으로써 시뮬레이션의 물리적 정확성이 크게 향상된다.