格子構造の選択的レーザー溶融:プロセスと機械的特性の統計的研究

格子構造の選択的レーザー溶融:プロセスと機械的特性の統計的研究
寄稿者: Wei Chao、Li Dichen

チタンタンタル合金は、生体医療材料として工業用純チタンや Ti6Al4V チタン合金に代わる可能性を秘めています。選択的レーザー焼結法(SLM)で製造されたハニカム格子構造は同じ単位格子を持ちますが、プロセスパラメータの影響により、弾性定数の範囲はGPaからGPaの間になります。したがって、ハニカム格子構造のプロセスパラメータを制御して、必要な機械的特性を得ることが重要です。

上記の問題を解決するために、シンガポールの南洋理工大学のSwee Leong Singらは、回帰分析と分散分析の統計的手法を使用して、SLM処理パラメータ(レーザー出力(L)、スキャン速度(S)、層厚(L))がハニカム格子構造の寸法精度(図1を参照)と機械的特性(多孔度()、弾性定数()、降伏強度())に与える影響を研究しました。ハニカム格子構造は、水平、垂直、傾斜の柱を備えた特別設計で、柱の直径はレーザースポットサイズと一致しています(図 2 を参照)。寸法精度は顕微鏡写真を使用して測定し、機械的特性は圧縮試験によって測定しました。


図 1 格子構造の LOM 画像 (a) xy 平面 (b) yz 平面 図 2 ハニカム格子構造の CAD モデル 図 1 では、平面内の水平支柱の寸法、 平面内の水平支柱の寸法、 垂直支柱の寸法、 傾斜支柱の寸法です。回帰分析を使用して得られた寸法精度の経験式は次のとおりです。

SLM の主要なプロセスパラメータによって表される機械的特性に関する実験式は次のとおりです。


感度分析の結果、水平柱のサイズは、レーザー出力およびスキャン速度と比較して、層の厚さに対して最も敏感であることがわかりました。垂直柱および傾斜柱の場合、それらのサイズはレーザー出力に対してのみ最も敏感であり、レーザー出力に対する感度は、層の厚さおよびスキャン速度に対する感度よりもはるかに高いことがわかりました。多孔度と弾性定数は、層の厚さや走査速度よりもレーザー出力に敏感ですが、降伏強度はレーザー出力と走査速度には敏感ですが、層の厚さには敏感ではありません。

本論文では、回帰分析法を用いて、SLMプロセスパラメータが格子構造のサイズと機械的特性に与える影響を定量的に分析する。プロセスパラメータを注意深く制御することで、格子構造の寸法精度が向上するだけでなく、機械的特性もより適切に制御できるようになる。

参考文献:
Sing, SL, Wiria, FE, & Yeong, WY (2018). 格子構造の選択的レーザー溶融: 製造可能性と機械的挙動への統計的アプローチ。
ロボティクスとコンピュータ統合製造、49、170-180。
https://doi.org/10.1016/j.rcim.2017.06.006

寄稿者: Wei Chao、Li Dichen 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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