粉末冶金におけるシミュレーション

粉末冶金におけるシミュレーション（ふんまつやきんにおけるシミュレーション、英: simulation in powder metallurgy）は、粉末冶金プロセスにおける粉体流動、圧縮成形、焼結などの挙動を数値的に解析し、製品設計および製造条件の最適化に用いられる計算機シミュレーション技術の総称である大塚順「粉末冶金への粉体シミュレーションの適用」『住友電工技報』2019年。。

粉体を連続体として扱う有限要素法（FEM）に加え、個々の粉末粒子を明示的に扱う離散要素法（Discrete Element Method, DEM）が広く利用されており、とりわけDEMを用いた粉末冶金シミュレーションの研究・産業応用が活発である酒井幹夫「粉体成形プロセスのデジタルツイン構築に向けた粉体シミュレーションの基盤技術の開発」粉体粉末冶金協会講演会, 2021年。。

 概要   
粉末冶金は、金属粉末を原料とし、混合・成形・焼結などの工程を経て機械部品や磁性材料、工具材料などを製造するプロセスである。粉体特有の流動性や圧縮時の局所密度分布、焼結に伴う収縮・変形などが製品の寸法精度や機械的特性に大きく影響するため、実験だけでなくシミュレーションを用いてプロセスを事前評価・最適化する取り組みが行われている。 

シミュレーションは、金型形状や設備仕様の検討、成形条件の探索、欠陥発生メカニズムの解析、さらにはデジタルツインやサイバーフィジカルシステム（CPS）としての生産プロセス統合など、多様な目的で利用される。 

 粉末冶金プロセスとシミュレーション対象   
粉末冶金の各工程は支配的な物理現象が異なるため、シミュレーションの観点からも複数の段階に分けて検討される。  
 原料粉末の製造・調整   
原料粉末の製造（霧化、還元、機械的合金化など）や粉砕・分級、混合工程では、粒子径分布や粒子形状、凝集性、混合均一性が重要となる。ボールミルなどの粉砕設備や混合機内の粉体挙動は、主にDEMを用いて評価され、粉砕効率や混合均一性、過粉砕の抑制などの検討に利用される。  

 ダイス充填・供給プロセス   
ダイスや金型への粉末充填では、粉体の流動性や偏析、空隙発生、充填密度分布が問題となる。フィードフレーム内の粉体挙動やダイス充填時の偏析・空隙を可視化する目的でDEMベースの粉体シミュレーションが用いられ、充填速度、フィードフレーム形状、ゲート位置、撹拌条件などの設計パラメータの影響評価に活用されているAltair「EDEM 製品情報およびプロセス製造ソリューション紹介資料」。。 

 圧縮成形（圧粉）   
圧縮成形工程では、金型内の粉末が圧縮され、グリーンコンパクト（圧粉体）が形成される。このとき、金型内の密度分布や応力状態、パンチ荷重、型摩耗、離型力、スプリングバックなどが重要な評価項目となる。連続体としての解析にはFEMが多用され、粉末を多孔質材料として構成式で表現する手法（Drucker–Prager Cap モデルなど）が用いられている一方で、粒子レベルの密度分布や粒子間力学を評価するためにDEM解析も行われるW. Wang ほか「A study on the simulation of metal powder molding based on the discrete element method with equal particle size」『AIP Advances』2025年。。  

 焼結およびその後の工程   
焼結工程では、粒子間ネックの形成と成長、粒子再配列、気孔の収縮や消失などにより密度の上昇と収縮が進行する。焼結中の変形・収縮は、寸法精度や残留応力、割れなどの欠陥発生に直結するため、FEMによるマクロな収縮・応力解析と、DEMによる粒子レベルの焼結挙動解析が併用されているJ. Rojek「Discrete element simulation of powder sintering」工学系学術論文, 2009年。。  

 解析手法の種類   
 有限要素法（FEM）   
有限要素法は粉末層や圧粉体を連続体として扱う数値解析手法であり、粉末冶金では主に以下の用途に用いられる。  

 圧縮成形時の荷重・変位・応力・ひずみ分布の解析  
 焼結過程のマクロな収縮挙動や変形解析  
 金型や設備の強度・寿命評価  

多孔質材料の弾塑性構成式や焼結による体積収縮を導入した構成式を用いることで、圧粉体の密度分布や焼結後の寸法変化を予測することができる。  

 粒子法・マルチフィジックス解析   
粉体を粒子の集合として扱う粒子法には、DEMのほか、粒子法流体解析（SPHなど）との連成、流体–粉体連成解析（CFD–DEM）などがある。これらは粉体とガス・液体との相互作用や、粉体流動と熱・質量輸送を同時に扱う必要がある問題で用いられる。金属粉末を用いた積層造形（レーザパウダーベッド溶融法など）では、DEMと熱流動解析を組み合わせたマルチフィジックス解析が試みられているH. Chen ほか「A Review on Discrete Element Method Simulation in Laser Powder Bed Fusion」2022年。。  

 離散要素法（DEM）による粉末冶金シミュレーション   
 概要   
離散要素法（Discrete Element Method, DEM）は、個々の粉末粒子を剛体（しばしば球形あるいは球の集合）としてモデル化し、粒子間および粒子–壁面間の接触力を考慮しながらニュートンの運動方程式を逐次時間積分することによって粉体挙動を再現する数値手法である。  

DEMでは、粒子ごとの位置・速度・回転運動と、接触力や粘着力、摩擦力などの情報を追跡できるため、粉体内部の力のネットワークや局所的な密度、偏析、せん断帯など、実験では観測が困難なミクロな情報を得ることができる。この特徴から、粉末冶金におけるさまざまな工程への適用が特に活発に進められている東北大学多元物質科学研究所「離散要素法による粉体挙動シミュレーション」に関する研究進歩賞受賞ニュース, 2018年。。  

 基本原理とモデル化   
DEMシミュレーションでは、おおむね次のような要素がモデル化される。  

 粒子モデル – 粒子は主に剛体球として近似されるが、より高精度が必要な場合には楕円体や多球モデル、形状スキャンデータに基づく複雑形状モデルが用いられる。  
 接触力モデル – 粒子同士、あるいは粒子–壁面間の接触について、弾性あるいは弾塑性ばね・ダンパーモデルとクーロン摩擦則を組み合わせた接触モデルが用いられる。凝集性粉体では、ファンデルワールス力や液架橋力などを表現する粘着力モデルが追加される。  
 物性パラメータ – 密度、ヤング率、ポアソン比、摩擦係数、粘着エネルギーなどのパラメータが必要となり、多くは材料試験や逆解析によって同定されるS. R. Geer ほか「A more efficient method for calibrating discrete element method parameters for simulations」NIST, 2018年。。  

これらにより、粉体の自由表面流動、圧縮、振動、剪断など多様な状況を再現できる。

 ダイス充填・金属粉末供給   
粉末冶金では、金属粉末をダイスや金型に充填する工程が製品品質に大きな影響を与える。DEMシミュレーションは以下の目的で利用される。  

 フィードフレーム内での粉体の流動状況、滞留時間、偏析の可視化  
 ダイス充填中の充填速度、ゲート位置、スクリューや撹拌条件などの検討  
 ダイス内密度分布の評価と、成形後の密度ムラ・欠陥の予測  

商用粉体解析ソフトウェア（Altair EDEM など）は、ダイス充填や供給プロセスの設計・トラブルシューティングに広く利用され、粉末冶金のみならず製薬・食品などの粉体プロセスでも用いられている。  

 圧縮成形・圧粉体の密度分布   
圧縮成形工程では、DEMにより粒子ごとの配列、局所密度、粒子間力の分布を直接評価できる。近年の研究では、等径粒子あるいは粒度分布を持つ粒子群を仮定し、単純な円柱試験片から実際の複雑形状部品まで、圧縮成形時の密度分布や荷重–変位特性を再現する試みが報告されている。  

DEM結果から得られる局所密度や粒子間力を、FEMなど連続体モデルの構成式（Drucker–Prager Cap モデルなど）のパラメータ推定に用いる手法もあり、DEMとFEMを組み合わせたマルチスケール解析として位置付けられている。  

 焼結プロセスの解析   
粉末焼結に対しても、DEMは粒子レベルのモデルとして適用される。粒子間のネック成長をばね定数や粘着力の時間依存変化として表現し、粒子再配列や気孔の収縮を追跡することで、相対密度の時間変化や寸法収縮挙動を予測することができる。DEMベースの焼結シミュレーションは、実験で得られた緻密化曲線や収縮量と良好な一致を示す例が報告されており、焼結条件（温度履歴、保持時間、雰囲気など）の影響評価に利用されている。 

 金属積層造形（AM）との関連   
レーザパウダーベッド溶融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）などの金属積層造形は、金属粉末を薄層で敷き詰めてレーザなどで溶融・凝固させる点で粉末冶金と共通する側面を持つ。この分野でもDEMは、パウダーベッド形成時の粉末敷き均し・ローラ走行のシミュレーション、局所的な粒径偏析や空隙分布の評価、熱流動解析と連成した溶融池挙動の解析などに用いられている。  

これらの研究は、粉末冶金における粉末供給プロセスや焼結挙動の理解にもフィードバックを与えており、粉末冶金と金属積層造形のシミュレーション技術は相互に発展している。  

 産業応用とデジタルツイン   
粉末冶金関連企業では、ボールミルやブレンダ、フィードフレーム、ダイス充填、焼結トレイ上の粉末挙動などに対してDEMシミュレーションを適用し、シミュレーション結果と実測値を比較しながら、製品寸法精度の向上や不良削減に利用している事例が報告されている。  

さらに、粉体成形プロセスのデジタルツイン構築を目指し、オンライン計測データとDEM/FEMシミュレーションを組み合わせたサイバーフィジカルシステムへの展開も検討されている。  

 シミュレーションソフトウェア   
粉末冶金分野で利用されるシミュレーションソフトウェアは、大きく以下に分類される。  

 汎用有限要素法ソフトウェア – Ansys Mechanical などのFEMソフトウェアは、粉末の圧縮成形や焼結変形を扱うための多孔質材料モデルやユーザーサブルーチンを備えている。  
 DEMベースの粉体解析ソフトウェア – Altair EDEM や GranuleFlow など、粉体専用DEMソフトウェアが市販されており、粉末冶金、電池材料、セラミックス、製薬、食品など幅広い産業で利用されているSoft Matter Solution「GranuleFlow 製品情報」。。  
 社内開発コード・オープンソースソフトウェア – 研究機関・企業が独自に開発したDEMコードや、汎用DEM／粒子法フレームワークをベースに粉末冶金向けの機能を拡張したソフトウェアも存在する。  

これらのソフトウェアはCADシステムや最適化ツール、実験データベースと連携させることで、設計・解析・製造の一体化を目指す取り組みに利用されている。  

 課題と展望   
粉末冶金におけるシミュレーション活用は拡大しているものの、以下のような課題が残されている。  

 粉末特性（粒径分布、形状、表面状態、凝集性など）の標準的なモデリング・パラメータ化手法の整備  
 実機スケール解析における計算コストと精度の両立  
 焼結におけるマイクロ構造進展とマクロ変形・特性を結びつけるマルチスケールモデルの構築  
 実験・シミュレーション・プロセスデータを統合したデジタルツインの標準化  

一方で、計算機性能の向上やマルチフィジックス・マルチスケール解析手法の発展、機械学習によるパラメータ同定・最適化技術の導入により、粉末冶金におけるシミュレーションは設計・製造の中核的な役割を担うことが期待されている。  

 関連項目   
 粉末冶金  
 離散要素法  
 有限要素法  
 粉体工学  
 金属積層造形  

 脚注   
 出典 

 参考文献   
 大塚順「粉末冶金への粉体シミュレーションの適用」『住友電工技報』2019年。  
 酒井幹夫「粉体成形プロセスのデジタルツイン構築に向けた粉体シミュレーションの基盤技術の開発」粉体粉末冶金協会講演会, 2021年。  
 J. Rojek「Discrete element simulation of powder sintering」工学系学術論文, 2009年。  
 H. Chen ほか「A Review on Discrete Element Method Simulation in Laser Powder Bed Fusion」2022年。  
 W. Wang ほか「A study on the simulation of metal powder molding based on the discrete element method with equal particle size」『AIP Advances』2025年。  
 S. R. Geer ほか「A more efficient method for calibrating discrete element method parameters for simulations」NIST, 2018年。  
 Soft Matter Solution「GranuleFlow 製品情報」。  
 Altair「EDEM 製品情報およびプロセス製造ソリューション紹介資料」。  
 東北大学多元物質科学研究所「離散要素法による粉体挙動シミュレーション」に関する研究進歩賞受賞ニュース, 2018年。

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