レーザー衝撃複合材積層造形プロセスにおける残留応力の熱的および機械的除去モデル

レーザー衝撃複合材積層造形プロセスにおける残留応力の熱的および機械的除去モデル
出典: ナノテクノロジーと精密工学

金属の付加製造 (AM) では、多くの場合、好ましくない機械的特性を持つ部品が生成されます。レーザーショック (LP) は、ワークピースをハンマーで叩いて有益な機械的特性を生み出す高ひずみ率の機械的表面処理です。衝撃ひずみにより表面が硬化し、圧縮残留応力が付与され、材料の機械的特性が向上します。この論文では、ウォーレン・バフェットの母校であるネブラスカ大学リンカーン校(米国)機械材料工学部の G. マディレディ博士が、有限要素解析を使用して 3D プリントされた金属の層ごとの処理における LP の役割を調査しました。



目的は、周期的な結合印刷とショットピーニングによって誘発される熱的および機械的緩和後の時間的および空間的な残留応力の発達を理解することです。結果は、層衝撃周波数が残留応力の再分配に影響を与える重要なプロセスパラメータであり、印刷プロセスによって生成される熱と大きく相互依存していることを示しています。機械的特性を良好に向上させる最適な混合プロセス条件が存在することが判明しました。この研究により、ハイブリッド AM は AM の次の進化段階の先駆けとなり、高価値金属製品の製造方法に革命を起こす可能性を秘めています。





レーザーショックピーニング(LP)技術は、レーザーショットピーニング技術とも呼ばれます。高出力密度(GW/cm2)かつ短パルス(10~30ns)のレーザーを透明な閉じ込め層を通して金属表面のエネルギー吸収コーティングに作用させると、コーティングはレーザーエネルギーを吸収して急速に蒸発し、大量の高密度、高温(>10K)、高圧(>1GPa)のプラズマがほぼ同時に形成されます。プラズマはレーザーエネルギーを吸収し続け、急速に加熱されて膨張し、その後爆発して金属表面に作用する高強度の衝撃波を形成します。衝撃波のピーク圧力が材料の動的降伏強度を超えると、材料は塑性変形を起こし、材料の表面に対して垂直な圧縮応力が発生します。

レーザー作用が終了した後、衝撃領域周辺の材料の反応により、機械的効果は材料表面のより高い残留圧縮応力として現れます。残留圧縮応力により、交番荷重における引張応力レベルが低下し、平均応力レベルが下がり、疲労亀裂発生寿命が延びます。同時に、残留圧縮応力の存在により亀裂閉口効果が生じ、疲労亀裂成長の駆動力が効果的に低減され、疲労亀裂成長寿命が延長されます。
写真、心理学、解剖学、研究、進化

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