山東大学の新しい金属 3D プリント技術: 強制収縮ワイヤアーク積層造形 (CC-WAAM)

アンタークティック・ベアは、中国の山東大学の研究者が、強制収縮ワイヤアーク積層造形法（CC-WAAM）と呼ばれる新しい金属3Dプリント方法を開発したことを知りました。 WAAM を改良することで、プロセスは金属の形成状態をより適切に制御し、均一な微細構造分布を持つ層を生成できるようになります。彼らはまた、この技術の最適なプロセスパラメータと溶接不足現象についても研究しました。

強制収縮ワイヤアーク積層造形 (CC-WAAM)

ワイヤ積層造形 (WAAM) は、英国の受賞歴のあるクランフィールド大学が開発した金属 3D 印刷技術です。 WAAM は、大型部品の製造において比類のない効率性とコスト上の利点を提供し、航空宇宙産業や海洋産業で広く使用されています。航空機後部フレーム、試作圧力容器、航空機胴体、中空プロペラブレード、クレーンフック、船舶プロペラなどの製造に広く使用されています。
3D 印刷プロセス中に熱の蓄積が増加すると、WAAM の幾何学的精度と成形品質が低下します。過度の熱入力は残留応力や変形を引き起こし、機械的特性を低下させる可能性もあります。 WAAM が直面している課題に対処するため、山東大学のチームは強制収縮 WAAM (CC-WAAM) と呼ばれる新しい技術を開発しました。

CC-WAAM は、金属不活性ガス (MIG) 溶接電源を使用して、狭いセラミックノズル内の金属ワイヤとタングステン電極の間にプラズマアークを生成します。アークの加熱により、ワイヤが溶けて液滴が生成されます。セラミックノズルはアークや金属液滴に対して強力な抑制効果を発揮します。 3D プリント用にアークを使用してノズルから液滴を噴射します。ジェットアークプラズマは、高温の液滴と液体プールの良好な遮蔽と絶縁を保証します。

トーチから基板までの距離は、溶融した液滴が移動するのに十分な冷却スペースを提供します。したがって、熱入力は大幅に削減されます。この方法で生成された層は、均質で微細な微細構造を示します。溶接トーチの移動速度を調整することで、各層の幾何学的サイズも効果的に制御できます。

△ CC-WAAM の概略図。CC-WAAM で噴出されるアークと液滴のイメージ。山東大学からの画像。

適切なパラメータを取得する

チームの次の課題は、アークと液滴の送達の安定性を確保するためのシステム制御パラメータを開発することです。アークの安定性により、液滴のバランスの取れた移行が促進されます。同時に、液滴の安定した移動によりアークが安定します。 CC-WAAM の限られた空間ではアークを直接視覚的に評価することはできず、フレアシールド内で液滴が形成されることはありません。そこで研究者らは、高速撮影技術を用いて、耐熱ガラスを通してさまざまな条件下での溶接現象を研究した。

結果は、アークの挙動と液滴の移動が電気的パラメータによって変化することを示しています。低レベルの電気パラメータ（80 A / 14.9 V - 200 A / 18.3 V）では、アークと液滴は非常に不安定になります。大きな溶滴直径 (1.8 - 5.3mm) と低い溶滴透過周波数 (2 - 23Hz) という付加的な特徴により、多数の複雑なアーク現象が発生します。対照的に、高レベルの電気パラメータ (200 A/18.3 V - 300 A/18.3 V) により、0.8 mm の小さな液滴と 300 Hz の高伝送周波数が可能になります。アークの形状と液滴の転送は非常に安定しており、より高レベルの電気パラメータが CC-WAAM に適していることが証明されています。

次に、シールドガスの流れがアークの挙動と溶滴の移動に与える影響を調査する実験を実施しました。電気パラメータのレベルが低い場合、ガスの流れがアークに対して機械的な力を加え、アークを分散させます。電気パラメータのレベルが高い場合、ガスがイオン化し、アーク安定性が向上します。

研究チームは、CC-WAAM に最も適したパラメータは 300 A/18.3 V と 5 L/分の空気流量であると結論付けました。これらの最適なパラメータにより、短く安定したアークと高周波の液滴供給が実現しました。

研究者たちは液滴の予備的な力の分析を行い、この液滴移動現象の説明を見つけました。液滴にかかる重力 FG と電磁ピンチ効果 FE によって誘起される力により、液滴の垂直方向の移動が促進されます。液滴の軌道からの逸脱は、液滴 FC 上のアーク力と、液滴 FM 上の閉ループ電流によって生成される力によって発生します。液滴の垂直軌道を実現するための今後の課題が残っています。

力の分析。山東大学からの画像。

「強制収縮 WAAM 中の閉鎖空間における液滴とアークプラズマの生成プロセスの調査」が、Journal of Materials Processing Technology に掲載されました。共著者は Meng Guo、Chuanbao Jia、Jihui Zhou、Wenqiang Liu、Chuanyong Wu です。

南極熊は、2018年6月に山東大学の「海外短期専門家雇用プロジェクト」の資金援助を受けて、英国クランフィールド大学の溶接工学・レーザー加工センター所長スチュワート・ウィリアムズ教授が山東大学材料科学工学学院に招かれ、講義や学術交流を行ったという報告が山東大学のウェブサイトに掲載されていることを発見した。

ウィリアムズ教授は材料学部の溶接研究室を訪問し、プラズマアーク溶接、アーク積層造形、高効率溶接、攪拌摩擦溶接における材料学部溶接研究所の最新の研究成果について詳しく学びました。その後、ワイヤアーク積層造形（WAAM）技術に関する関連研究グループの教員や学生と綿密な交流を行い、材料科学工学部の大学院生や教員数名に対し「エンジニアリング金属構造物の大規模積層造形」をテーマに学術講演を行いました。ウィリアムズ教授は報告の中で、「溶接ワイヤ＋アーク」積層造形技術（WAAM）の分野における自身の研究グループの最新の研究成果を詳しく紹介しました。現在、積層造形には多くの技術的手法がありますが、実際の大規模な工学構造物（メートルスケール）の製造には、「ワイヤー+アーク」積層造形技術（WAAM）が高効率かつ低コストであり、航空宇宙、防衛、エネルギー、建設などの業界で大きな応用の見通しがあります。ウィリアムズ教授のチームは、WAAM テクノロジーを使用して、世界最大の積層造形構造部品を製造しました。これまで製造してきた代表的な構造部品の写真を示し、今後の研究開発計画を紹介した。学術報告の後、ウィリアムズ教授は溶接数値シミュレーション分野の博士課程の学生と討論を行い、溶接ワイヤアーク積層造形分野における数値シミュレーションの巨大な応用可能性と発展の見通しについて議論しました。この講義と学術交流活動を通じて、関連研究グループの教員と学生は、大型構造部品の積層造形技術における最新の国際的進歩を習得し、現在のWAAM積層造形の主要な技術課題に対する深い理解を獲得し、関連方向の研究テーマにとって大きな指導的意義を持っています。

スチュワート・ウィリアムズ教授は、「ワイヤー+アーク」積層造形（WAAM）の分野で国際的に有名な専門家であり、英国クランフィールド大学の溶接工学およびレーザー加工センターの所長、および溶接科学工学部の所長を務めています。彼は主に、産業応用レベルでの大型部品向け WAAM 積層造形技術の研究開発に従事しています。関連製品は、エアバス、BAE システムズ、ボンバルディア、EADS、GE、ロッキードマーティンなどの有名な航空宇宙製造企業で使用されています。

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