Porous structure in single-track simulations

폴리아미드 11 (PA11) 레이저 파우더 베드 융합 공정 중 용융 영역에 대한 열유체동역학 모델

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 폴리머 기반 레이저 파우더 베드 융합(PBF-LB/P) 공정에서는 용융 영역( melt region )의 형성과 응고 현상이 최종 제품 품질에 큰 영향을 미치며, 이 과정에서 결함(예: 미융합, 기공 등)이 발생할 수 있음.
  • 연구 목적: 본 연구는 Flow-3D Weld를 활용하여 PA11 재료의 PBF-LB/P 공정 중 용융 영역의 형태, 온도 분포, 유동 특성을 3D 다중 물리 모델로 시뮬레이션하고, 단일 트랙 실험 데이터를 통해 모델을 검증하여, 레이저 설정(파워, 스캔 속도, 해치 간격)이 용융 영역 형상 및 결함 발생에 미치는 영향을 분석하는 데 있다.

연구 방법

  1. 파우더 베드 준비
    • 실제 입자 크기 분포를 DEM(Discrete Element Method)을 통해 모사하여, 파우더 베드의 초기 상태를 재현.
  2. 모델 개발
    • 열유체동역학 모델: 유한체적법(FVM)을 기반으로 Flow-3D Weld를 사용하여 용융 영역 내 열전달, 유동, 그리고 응고 과정을 수치해석.
    • 물리현상 고려:
      • 열 전달: 온도 분포 및 열전달, 응고 시 latent heat 및 재료의 온도 의존적 특성 고려.
      • 유체 유동: 비압축성, laminar 흐름으로 가정하며, 높은 점도를 가진 PA11의 특성을 반영.
      • 마랑고니 효과: 온도에 따른 표면 장력 변화가 용융 영역의 형상에 미치는 영향 분석.
  3. 시뮬레이션 단계
    • 싱글 트랙 시뮬레이션: 레이저 파우더 베드 융합 공정의 단일 트랙에 대해, sintering(소결)과 cooling(냉각) 단계를 분리하여 시뮬레이션.
    • 멀티 트랙 시뮬레이션: 다중 트랙 조건에서 표면 거칠기 및 레이저 설정과의 상관관계를 분석.
  4. 모델 검증 및 메쉬 독립성
    • 메쉬 독립성 분석을 통해 최적의 격자 크기를 선정.
    • 실험(단일 트랙 실험)으로부터 용융 영역의 폭과 깊이 데이터를 확보하여 시뮬레이션 결과와 비교 검증.

주요 결과

  • 용융 영역 특성:
    • 레이저 파워 증가에 따라 용융 영역의 폭과 깊이가 증가하며, 온도 분포와 유동 특성이 변화함.
    • 높은 점도와 낮은 유동성으로 인해, PA11의 경우 용융 영역 내에서 열전달 및 응고가 상대적으로 느리게 진행됨.
  • 시뮬레이션 및 실험 비교:
    • 단일 트랙 실험에서 측정된 용융 영역 폭과 깊이와 시뮬레이션 결과가 좋은 일치도를 보임.
    • fliq(용융된 재료의 비율)를 기준으로 용융 영역 경계를 정의하여, 실험 측정값과 비교 시 보수적인 결과가 도출됨.
  • 멀티 트랙 결과:
    • 여러 트랙의 시뮬레이션을 통해, 레이저 설정에 따른 표면 거칠기와 결함(미융합 및 기공 발생) 특성이 도출됨.
    • 해치 간격이 좁을수록, 스캔 라인 간 중복 효과로 인해 입자 간 융합이 개선되어 표면이 더 매끄럽게 나타남.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 제안된 열유체동역학 모델은 PA11의 PBF-LB/P 공정 중 용융 영역의 형태 및 온도, 유동 특성을 성공적으로 재현하였으며, 실험 데이터와의 검증을 통해 신뢰성을 확보함.
    • 레이저 파워, 스캔 속도, 해치 간격 등 주요 레이저 설정이 용융 영역의 형상 및 결함 발생에 결정적인 영향을 미침.
  • 향후 연구:
    • 멀티 트랙 시뮬레이션을 통해 표면 거칠기 및 미세구조 형성에 대한 추가 분석.
    • 파우더 크기 분포, 층 두께, 빌딩 챔버 온도 등 추가 변수들의 영향을 고려한 모델 확장 및 최적화.

Reference

  1. F. Sillani, E. MacDonald, J. Villela, M. Schmid, and K. Wegener, “In-situ monitoringof powder bed fusion of polymers using laser profilometry,” Addit Manuf, vol. 59,Nov. 2022, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103074.
  2. Gibson I, Rosen D, Stucker B. Additive manufacturing technologies: 3D printing,rapid prototyping, and direct digital manufacturing. 2nd ed. New York: Springer;2015. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2113-3.
  3. Ngo TD, Kashani A, Imbalzano G, Nguyen KTQ, Hui D. “Additive manufacturing(3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges,”Composites Part B: Engineering, vol. 143. Elsevier Ltd, pp. 172–196, Jun. 15. 2018.https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012.
  4. G. Flodberg, H. Pettersson, and L. Yang, “Pore analysis and mechanicalperformance of selective laser sintered objects,” Addit Manuf, vol. 24, pp. 307–315,Dec. 2018, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.10.001.
  5. Nouri A, Rohani Shirvan A, Li Y, Wen C. “Additive manufacturing of metallic andpolymeric load-bearing biomaterials using laser powder bed fusion: A review,”Journal of Materials Science and Technology, vol. 94. Chinese Society of Metals, pp.196–215, Dec. 20. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.058.
  6. Han W, Kong L, Xu M. “Advances in selective laser sintering of polymers,”International Journal of Extreme Manufacturing, vol. 4, no. 4. Institute of Physics,Dec. 01. 2022. https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac9096.
  7. Bayat M, et al. “Holistic computational design within additive manufacturingthrough topology optimization combined with multiphysics multi-scale materialsand process modelling,” Progress in Materials Science, vol. 138. Elsevier Ltd, Sep. 01.2023. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101129.
  8. Lupone F, Padovano E, Casamento F, Badini C. “Process phenomena and materialproperties in selective laser sintering of polymers: A review,” Materials, vol. 15, no.1. MDPI, Jan. 01. 2022. https://doi.org/10.3390/ma15010183.
  9. Das A, et al. “Current understanding and challenges in high temperature additivemanufacturing of engineering thermoplastic polymers,” Additive Manufacturing,vol. 34. Elsevier B.V., Aug. 01. 2020. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101218.
  10. B. G. Compton, B. K. Post, C. E. Duty, L. Love, and V. Kunc, “Thermal analysis ofadditive manufacturing of large-scale thermoplastic polymer composites,” AdditManuf, vol. 17, pp. 77–86, Oct. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2017.07.006.
  11. Everton SK, Hirsch M, Stavroulakis PI, Leach RK, Clare AT. “Review of in-situprocess monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing,”Materials and Design, vol. 95. Elsevier Ltd, pp. 431–445, Apr. 05. 2016. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.099.
  12. McCann R, et al. “In-situ sensing, process monitoring and machine control in LaserPowder Bed Fusion: A review,” Additive Manufacturing, vol. 45. Elsevier B.V., Sep.01. 2021. https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102058.
  13. A. U. Rehman, F. Pitir, and M. U. Salamci, “Full-field mapping and flowquantification of melt pool dynamics in laser powder bed fusion of SS316L,”Materials, vol. 14, no. 21, Nov. 2021, doi:https://doi.org/10.3390/ma14216264.
  14. H. Yaagoubi, H. Abouchadi, and M. Taha Janan, “Numerical simulation of heattransfer in the selective laser sintering process of Polyamide12,” Energy Rep, vol. 7,pp. 189–199, Nov. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.08.089.
  15. Childs THC, Tontowi AE. Selective laser sintering of a crystalline and a glass-filledcrystalline polymer: experiments and simulations. Proc Inst Mech Eng B J EngManuf 2001;215(11):1481–95. https://doi.org/10.1243/0954405011519330.
  16. Riedlbauer D, Drexler M, Drummer D, Steinmann P, Mergheim J. Modelling,simulation and experimental validation of heat transfer in selective laser melting ofthe polymeric material PA12. Comput Mater Sci 2014;93:239–48. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.06.046.
  17. Mokrane A, Boutaous M, Xin S. “Process of selective laser sintering of polymerpowders: Modeling, simulation, and validation,” Comptes Rendus – Mecanique, vol.346, no. 11. Elsevier Masson SAS, pp. 1087–1103, Nov. 01. 2018. https://doi.org/10.1016/j.crme.2018.08.002.
  18. C. Bierwisch, S. Mohseni-Mofidi, B. Dietemann, M. Grünewald, J. Rudloff, and M.Lang, “Universal process diagrams for laser sintering of polymers,” Mater Des, vol.199, Feb. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109432.
  19. F. Shen, W. Zhu, K. Zhou, and L. L. Ke, “Modeling the temperature, crystallization,and residual stress for selective laser sintering of polymeric powder,” Acta Mech,vol. 232, no. 9, pp. 3635–3653, Sep. 2021, doi:https://doi.org/10.1007/s00707-021-03020-6.
  20. Jiang Q, et al. “A review on additive manufacturing of pure copper,” Coatings, vol.11, no. 6. MDPI AG, Jun. 01. 2021. https://doi.org/10.3390/coatings11060740.
  21. B. Cheng, X. Li, C. Tuffile, A. Ilin, H. Willeck, and U. Hartel n.d., Multi-physicsmodeling of single track scanning in selective laser melting: powder compactioneffect.
  22. M. Bayat, V. K. Nadimpalli, D. B. Pedersen, and J. H. Hattel, “A fundamentalinvestigation of thermo-capillarity in laser powder bed fusion of metals and alloys,”Int J Heat Mass Transf, vol. 166, Feb. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120766.
  23. Q. He, H. Xia, J. Liu, X. Ao, and S. Lin, “Modeling and numerical studies of selectivelaser melting: multiphase flow, solidification and heat transfer,” Mater Des, vol.196, Nov. 2020, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109115.
  24. W. Yan et al., “Meso-scale modeling of multiple-layer fabrication process inselective Electron beam melting: inter-layer/track voids formation,” Mater Des,vol. 141, pp. 210–219, Mar. 2018, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.12.031.
  25. W. Yan et al., “Multi-physics modeling of single/multiple-track defect mechanismsin electron beam selective melting,” Acta Mater, vol. 134, pp. 324–333, Aug. 2017,doi:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.05.061.
  26. T. N. Le and Y. L. Lo, “Effects of sulfur concentration and Marangoni convection onmelt-pool formation in transition mode of selective laser melting process,” MaterDes, vol. 179, Oct. 2019, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107866.
  27. Bayat M, Dong W, Thorborg J, A. C. To, Hattel JH. “A review of multi-scale andmulti-physics simulations of metal additive manufacturing processes with focus onmodeling strategies,” Additive Manufacturing, vol. 47. Elsevier B.V., Nov. 01. 2021.https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102278.
  28. M. Bayat, S. Mohanty, and J. H. Hattel, “Multiphysics modelling of lack-of-fusionvoids formation and evolution in IN718 made by multi-track/multi-layer L-PBF,”Int J Heat Mass Transf, vol. 139, pp. 95–114, Aug. 2019, doi:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.003.
  29. X. Yang, Y. Li, and B. Li, “Formation mechanisms of lack of fusion and keyholeinduced pore defects in laser powder bed fusion process: a numerical study,” Int JTherm Sci, vol. 188, Jun. 2023, doi:https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108221.
  30. M. Tang, P. C. Pistorius, and J. L. Beuth, “Prediction of lack-of-fusion porosity forpowder bed fusion,” Addit Manuf, vol. 14, pp. 39–48, Mar. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.12.001.
  31. C. Wu, H. Zhao, Y. Li, P. Xie, and F. Lin, “Surface morphologies of intra-layerprinting process in electron beam powder bed fusion: a high-fidelity modelingstudy with experimental validation,” Addit Manuf, vol. 72, Jun. 2023, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103614.
  32. Tan P, Zhou M, Tang C, Su Y, Qi HJ, Zhou K. Multiphysics modelling of powder bedfusion for polymers. Virtual Phys Prototyp 2023;18(1). https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2257191.
  33. S. Haeri, “Optimisation of blade type spreaders for powder bed preparation inadditive manufacturing using DEM simulations,” Powder Technol, vol. 321, pp.94–104, Nov. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.08.011.
  34. V. V. Ganesan, A. Amerinatanzi, and A. Jain, “Discrete element modeling (DEM)simulations of powder bed densification using horizontal compactors in metaladditive manufacturing,” Powder Technol, vol. 405, Jun. 2022, doi:https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117557.
  35. Voller VR, Prakash C. A fixed grid numerical modelling methodology forconvection-diffusion mushy region phase-change problems. 1987.
  36. D. Schiochet Nasato and T. Poschel, ¨ “Influence of particle shape in additivemanufacturing: discrete element simulations of polyamide 11 and polyamide 12,”Addit Manuf, vol. 36, Dec. 2020, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101421.
  37. L. Verbelen, S. Dadbakhsh, M. Van Den Eynde, J. P. Kruth, B. Goderis, and P. VanPuyvelde, “Characterization of polyamide powders for determination of lasersintering thermal https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2015.12.014.
  38. Bai J, Goodridge RD, Hague RJM, Song M, Okamoto M. Influence of carbonnanotubes on the rheology and dynamic mechanical properties of polyamide-12 forlaser sintering. Polym Test 2014;36:95–100. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2014.03.012.
  39. F. Bondan, M. R. F. Soares, and O. Bianchi, “Effect of dynamic cross-linking onphase morphology and dynamic mechanical properties of polyamide 12/ethylenevinyl acetate copolymer blends,” Polym Bull, vol. 71, no. 1, pp. 151–166, Jan.2014, doi:https://doi.org/10.1007/s00289-013-1051-8.
  40. M. Bahrami, J. Abenojar, and M. A. Martínez, “Comparative characterization ofhot-pressed polyamide 11 and 12: mechanical, thermal and durability properties,”Polymers (Basel), vol. 13, no. 20, Oct. 2021, doi:https://doi.org/10.3390/polym13203553.
  41. M. Tang, P. C. Pistorius, and J. L. Beuth, “Prediction of lack-of-fusion porosity forpowder bed fusion,” Addit Manuf, vol. 14, pp. 39–48, Mar. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.12.001.
  42. X. Zhao, S. Dadbakhsh, and A. Rashid, “Contouring strategies to improve thetensile properties and quality of EBM printed Inconel 625 parts,” J Manuf Process,vol. 62, pp. 418–429, Feb. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.jmapro
1-s2.0-S1526612524006613-mainDownload