2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of accurate prediction method for solidification microstructure in additive manufacturing by high-performance phase-field simulation
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21K14041
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
坂根 慎治 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (70876755)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 金属積層造形 / 凝固組織 / フェーズフィールド法 / 適合格子細分化法 / GPU計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
金属積層造形製品の特性は造形中に形成された凝固組織によって決定されるため，その高精度な予測が重要である．そのためには，造形中のマルチフィジックスを考慮したフェーズフィールド凝固モデル開発と，その計算負荷の高いモデルを用いた三次元計算を可能とする高性能計算手法開発が課題である．本年度は，昨年度開発した適合格子細分化法と複数GPU並列計算法を組み合わせた高性能計算法を非等温凝固問題に拡張し，固体運動や液相流動を伴う非等温二元合金凝固中の三次元デンドライト成長シミュレーションを可能とした．次に，積層造形における高速凝固中の溶質トラップを考慮したフェーズフィールド凝固モデルについて，適合格子細分化法を適用した複数GPU並列計算の実装を行った．構築手法を用いた基礎評価の結果，溶融プール全域を取り扱った計算には規模が数十倍ほど不足することが分かった．そのため，溶融プールの自由界面挙動および温度と流れ場の時間変化を取り扱ったマクロスケール熱流体シミュレーションとのカップリングによる問題解決を図った．具体的には，マクロスケール熱流体シミュレーションにおける溶融プール底近傍の一部の三次元領域を抜き出し，その領域の温度場を直接用いて三次元フェーズフィールド凝固シミュレーションを行う手法を新たに構築した．この手法を用いて，ニッケル超合金（Inconel718）の選択的レーザー溶融過程における溶融プール中の三次元凝固組織予測を達成し，実験同様にセルデンドライト構造の柱状組織が得られること，そのセルデンドライトの一次枝間隔が実験値と近い値になることを確認した．本研究で開発した手法は，その場観察が難しい積層造形中の凝固組織の三次元成長挙動を明らかにするための強力なツールである．今後，高性能計算手法の改良や，凝固モデルのマルチフィジックス化により，より広範な造形条件・現象に関する組織評価を可能とする．
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