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離散要素法(DEM)がどのように焼結プロセスに革命をもたらし、製造業の効率と精度を向上させているかをご覧ください。
課題
金属焼結は、制御された熱と圧力を用いて金属粉末を固体部品に変えるもので、自動車、航空宇宙、電子機器、医療産業などにおいて重要な役割を果たしています。しかし、このプロセスの複雑さゆえに、メーカーは大きな課題に直面しています。以下のような相互に関連する課題により、製造業者は、金属焼結操作において一貫した品質と経済的な実行可能性を達成するために、より優れた理解と制御方法を開発することが不可欠となっている：
- プロセスの最適化:最適なパラメータ（温度、加熱速度、圧力、雰囲気）を決定することは、従来の試行錯誤的な手法では困難で高価であり、開発期間の延長、材料の無駄、品質の安定性、スケーリングの困難さにつながる。
- 品質管理の問題:一般的な欠陥には、機械的特性に影響する残留気孔率、熱応力に起因する割れや歪み、特性のばらつきを引き起こす不均一な微細構造、コストのかかる後処理を必要とする表面欠陥などがある。
- 経済的懸念:金属粉末の高い原料コスト、高温炉の多大なエネルギー消費、高価なスクラップや不良品による再加工、一貫性に影響を与える粉末のバッチ間ばらつきなど、すべてが収益性と生産信頼性に影響を与えます。
エンジニアリングソリューション
方法
離散要素法（DEM）は、金属焼結プロセスを研究し、最適化するための貴重な計算アプローチです。各粉末粒子を個別にモデル化することで、粒子の再配列、接触形成、気孔率の進化、および初期段階の結合を詳細に解析することができます。
ほとんどのDEM焼結シミュレーションは、以下の点に重点を置いています。 低温成形段階熱処理の前に粒子を押し固める。これらのモデルは、凝集力モデルを用いて機械的な圧密と「グリーンボディ」の形成を捉えますが、次のようなことはできません。 熱拡散、収縮、微細構造の変化はシミュレートできない。-これらは、他の熱モデルや連続体モデルとの連成を必要とするためです。
DEMは焼結以外にも、製薬、鉱業、食品、建設などの産業で、粒子の流動、混合、圧縮の研究に幅広く使用されています。粒子スケールの挙動を把握することで、DEMはプロセスの最適化、エネルギー使用量の削減、製品の一貫性の向上に役立ちます。
結果
以下は、ANSYS 社の粒子流シミュレーションモジュールである Ansys Rocky を使用した焼結プロセスの例です。このセットアップは，キャビティに粒子を供給するフィーダ，指定の力を加えるプレス，最後にエジェクタで構成されています．セットアップの前にモーションシーケンスを定義し、モーションフレームで設定する必要があります（以下のビデオを参照）。 基本情報は以下の通りです：
- 粒子の形状球 (詳細) 形状 が使えます)
- 粒子径: 1.5 – 2.0 mm
- 粒子の総数144,405
- 物理/シミュレーション時間：11秒/4,696秒（1.3時間）
- 実行CPU NVIDIA TRX A6000
粒子サイズは、このデモで使用した値よりも小さくすることができ、また小さくする必要があります（約0.1～0.3 mm）。ロッキーでは、結果は材料特性と相互作用係数にも依存します：
- 材料特性：密度、ヤング率、ポアソン比。
- 材料相互作用：静/動摩擦係数、復元係数.
- 接着剛性：粒子径に依存する（モデルチューニング）。
Rockyでは、圧縮後の最終部品の粒度分布の可視化も可能です。今回使用した粒子径では、いくつかの欠陥が目立つため、早期に設計を調整することができます。図に示すように、左の画像は圧縮された形状を表示し、右の画像は粒子径のばらつきを明らかにします。粒子が大きかったり小さかったりする部分は、密度や機械的特性に潜在的な不一致があることを示しています。
モーションフレームは、「自由体移動」と連動して「線形時間可変力」を適用し、時間の経過とともに線形に増加する力を生成することにより、圧縮効果を含んでいます。このデモでは、500N/sの係数dが使用され、以下のプロットにおける直線的な力の傾きを表しています。この力は、油圧機構によって生成される圧力を推定するために使用することができます。
最後の画像は、圧縮後の最終部品の粒子の体積分率マップを示しています。理想的には、部品全体に一貫した密度を確保するために、この分布はできるだけ均一であるべきです。しかし、緑色のボックスでは明らかな非対称性が観察される。対照的に、上部と下部の領域は良好な均一性を示しています。この情報は、成形不良を特定し、工程全体の品質を向上させるために、フィーダーの設計、パンチの形状、または動作順序を調整するために極めて重要です。
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