[논문 리뷰] Crystal plasticity model of residual stress in additive manufacturing

Nicolò Grilli, Daijun Hu외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 27.

Additive Manufacturing Materials and Processes참고 문헌 77인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 선택적 레이저 용융(316 스테인리스 스틸)에서 결정립 스케일에서 잔류 응력을 예측하기 위해 열유체 흐름 및 결정립 성장 시뮬레이션과 결합된 결정성형 유한요소모델을 개발한다. 새로운 요소 제거 및 재활성화 방법은 융해, 응고 및 플라스틱 변형 재초기화를 정확하게 포착하며, 잔류 응력은 결정립의 정렬 방향에 의해 크게 영향을 받으며, 레이저 스캐닝 방향과 평행하거나 수직인 방향에서 스미드 요인 효과로 인해 가장 높게 나타남을 규명하였다.

ABSTRACT

Selective laser melting is receiving increasing interest as an additive manufacturing technique. Residual stresses induced by the large temperature gradients and inhomogeneous cooling process can favour the generation of cracks. In this work, a crystal plasticity finite element model is developed to simulate the formation of residual stresses and to understand the correlation between plastic deformation, grain orientation and residual stresses in the additive manufacturing process. The temperature profile and grain structure from thermal-fluid flow and grain growth simulations are implemented into the crystal plasticity model. An element elimination and reactivation method is proposed to model the melting and solidification and to reinitialise state variables, such as the plastic deformation, in the reactivated elements. The accuracy of this method is judged against previous method based on the stiffness degradation of liquid regions by comparing the plastic deformation as a function of time induced by thermal stresses. The method is used to investigate residual stresses parallel and perpendicular to the laser scan direction, and the correlation with the maximum Schmid factor of the grains along those directions. The magnitude of the residual stress can be predicted as a function of the depth, grain orientation and position with respect to the molten pool.

연구 동기 및 목표

• 적층 제조에서 결정립 스케일에서 잔류 응력 형성 과정을 정밀하게 포착하는 고정밀 결정성형 유한요소모델을 개발하기.
• 기존 모델이 수치적 불안정성 또는 인위적 변형 없이 융해 및 응고를 시뮬레이션하는 데에 한계를 보이는 문제를 해결하기.
• 선택적 레이저 용융에서 결정립 정렬 및 결정학적 슬립계의 영향을 고려하여 잔류 응력 분포를 조사하기.
• 제안된 요소 제거 및 재활성화 방법을 강성 감소 기법과 비교하여 정확도를 검증하고, 플라스틱 변형 및 잔류 응력 예측에 미치는 영향을 정량화하기.
• 다양한 결정학적 정렬에 대해 최대 스미드 요인과 잔류 응력 크기 및 방향 간의 상관관계를 규명하기.

제안 방법

• 열유체 흐름 및 결정립 성장 시뮬레이션을 통합하여 결정성형 모델의 입력으로 온도장과 결정립 구조를 제공함.
• 융해 및 응고를 시뮬레이션하기 위해 요소 제거 및 재활성화 방법을 제안하며, 재활성화 시 플라스틱 변형과 같은 상태 변수를 재초기화할 수 있음.
• 기존의 활성/비활성화 또는 강성 감소 기법과 달리, 융해 시 요소를 제거하고 응고 시 재활성화하여 수치 발산과 인위적 변형을 방지함.
• 플라스틱 변형은 슬립계 기반의 결정성형 이론을 사용하여 계산하며, 각 결정립 내에서 플라스틱 유동 가능성은 스미드 요인을 통해 결정함.
• 온도 의존 성질을 포함한 열-메커니컬 커플링을 모델링하기 위해 사용자 정의 재료 거동 기반의 유한요소 프레임워크를 사용함.
• 제안된 방법의 정확도는 예측된 플라스틱 변형의 시간적 변화를 강성 감소 기법과 비교하여 검증하였으며, 신규 방법이 더 높은 변형 및 응력 예측을 보임.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 요소 제거 및 재활성화 방법은 융해 및 응고 시뮬레이션에서 강성 감소 기법에 비해 잔류 응력 예측 정확도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 특히 스미드 요인이 포함된 결정립 정렬이 선택적 레이저 용융 316 스테인리스 스틸에서 잔류 응력 크기 및 방향을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 잔류 응력은 융해 풀 주변 깊이 및 위치에 따라 어떻게 변화하며, 레이저 스캐닝 방향에 대해 비등방성은 어떠한가?
• RQ4 예측된 잔류 응력은 SLM 부품에서 관측된 실험적 미크랙킹 패턴과 어느 정도 상관이 있는가?
• RQ5 제안된 모델링 프레임워크는 SLM를 초월한 다른 금속 및 적층 제조 공정으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 요소 제거 및 재활성화 방법은 강성 감소 기법보다 더 높은 플라스틱 변형과 잔류 응력 예측을 제공하며, 후자의 경우 인위적 강성 제약으로 인해 열응력 예측이 낮아짐을 시사함.
• 잔류 응력은 레이저 스캐닝 방향과 평행하거나 수직인 방향에서 가장 높으며, σxx와 σyy에서 유사한 크기를 보이며, 실험적 미크랙킹 패턴과 일치함.
• x, y, z 방향에서 슬립에 대해 높은 스미드 요인을 갖는 결정립은 더 큰 플라스틱 변형을 보이며, 이는 결정학적 정렬이 국소 응력 진화를 직접적으로 제어함을 확인함.
• 융해 풀 주변에서 열팽창으로 인해 x 및 y 방향으로 압축적 플라스틱 변형이 발생하며, 냉각 과정에서 이는 휴리스트 잔류 응력으로 전환됨.
• 기초재는 평면 내 변형을 제약하여 자유 표면 조건이 적용되는 상부 표면에서도 심각한 잔류 응력이 발생함.
• 모델은 x 및 y 방향으로 큰 휴리스트 잔류 응력이 작용하는 영역이 균열에 가장 취약함을 예측하며, 이는 실험에서 레이저 스캐닝 방향과 수직으로 균열이 자주 관찰되는 이유를 설명함.