アーク積層造形における熱源とマクロおよびミクロ構造特性および機械的特性への影響

パキスタンのNED工科大学、ダウッド工科大学、バーレーン大学の研究者らは、アーク積層造形における熱源と、それがマクロ的およびミクロ的構造特性や機械的特性に与える影響について検討した。「ワイヤアーク積層造形における熱源とマクロ・ミクロ構造特性および機械的特性への影響 - 概要」と題する関連論文が Smart Materials and Structures に掲載されました。

要点:
1. このレビューでは、GTAW、GMAW、CMT、PAW などのワイヤアーク積層造形 (WAAM) におけるアーク熱入力を調査します。WAAM は、堆積速度が高く、コスト効率に優れたプロセスです。
2. WAAM のマクロ構造、ミクロ構造、および機械的特性について、エネルギーと熱入力源の安定性に焦点を当てて報告します。
3. このレビューでは、WAAM に使用される主な熱源のプロセス特性にも焦点を当てています。
4. 特徴としては、ハイブリッド熱源、熱源と減算や変形などの製造プロセスを組み合わせることなどが挙げられます。

ワイヤアーク積層造形 (WAAM) の層ごとの構築コンセプトは、中程度の構造的複雑さを持つ大型金属部品を製造できるため、従来の減算製造方法に代わる実行可能な方法と見なされています。この技術は、従来の積層造形（AM）プロセスと比較して、低コスト、高堆積速度などの利点があるため、大きな注目を集めています。このレビューでは、アーク積層造形システムに基づくガスタングステンアーク溶接 (GTAW)、ガスメタルアーク溶接 (GMAW)、コールドメタルトランスファー溶接 (CMT)、プラズマアーク溶接 (PAW) の材料堆積プロセスにおけるさまざまなアーク熱入力と熱源を調査します。これを実現するには、主要なプロセス要因とそれが最終部品の品質に与える影響を理解するための包括的なアプローチを採用する必要があります。このレビューでは、さまざまな熱源とアーク熱入力に関連するマクロ的、ミクロ的、機械的挙動を調査します。このレビューでは、アーク AM プロセスにおける熱関連の入力要因も調査し、熱入力の観点から最適なアーク AM 技術を決定します。このレビューの主な目的は、アーク付加技術を使用して堆積された部品の熱入力と機械的、微細構造的、およびマクロ構造的特性との相関関係を調査することです。この研究で詳細に調査された熱入力は、アーク AM プロセスの安定性にとって非常に重要であり、製造プロセス中の部品の機械的特性と微細構造の進化に影響を与えます。このレビューでは、アルミニウム合金、銅合金、鋼合金、ニッケル合金、鉄合金、チタン合金、マグネシウム合金、スマート材料など、さまざまな材料を取り上げ、それらの微細構造、マクロ構造、機械的特性を中心に、複数の業界での応用に関する重要な洞察を提供します。

図1. 技術要件に応じて適切な積層造形方法を選択する概略図。
図2. 異なる溶接方法を使用したアーク積層造形の原理: (a) GTAW、(b) PAW、(c) GMAW。
図3. アークからワイヤへの熱伝達、ワイヤの溶融、液滴の形成、液滴の遷移、基板との衝突、そして凝固を含む、アーク積層造形の物理的プロセスの順序的な説明。
図4. (A) MIG溶接、(B) TIG溶接、(C) PAW溶接の動作原理。図 5. 多層構造はさまざまな領域に分割され、包括的に特徴付けることができます。
図6. 多層構造のマクロ構造分析、(a)上部、(b)中間、(c)下部。
図7. アーク積層技術を用いた薄肉引張試験片の製造のための実験装置。
図8. アーク積層造形法で製造された試料によって吸収されたエネルギーの比較分析。
図9. (a) ハイブリッド溶接および成形プロセスの概略図。左側に溶接プロセス、中央のボックスに強調表示された堆積材料の（熱間）圧延、右側に最適化された機械的特性を持つ溶接を示します。 (b) 誘起された熱ひずみと塑性ひずみによって引き起こされる微細構造の影響。図10. WAAMと表面圧延を組み合わせたハイブリッド金属積層造形プロセスの概略図。重点は冶金構造の変更にあり、粒径の縮小とそれが残留応力に与える影響を強調しています。
図 11. 金属積層造形とコイン鋳造の統合: (a) レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 堆積、ワイヤ放電加工、研磨、コイン鋳造を含む新しいハイブリッド製造プロセスの概略図。(b) AISI 316 L で鋳造されたコインプロトタイプの画像。図12. アーク積層技術によって堆積された材料とその産業用途の例。
図13. いくつかの産業応用分野。
このレビューは、最新の研究結果を理解することに関心のある世界中の学術コミュニティ向けに、調査結果の概要を提供します。この記事は、アーク積層造形に関する最近発表された膨大な研究に基づいています。アーク AM 技術をより深く理解し、その受容性と実用性を高めるには、さまざまな目的に設計された大規模な金属構造に関するさらなる実験的研究が必要です。アーク積層技術には他の製造プロセスほど多くのベンチマーク信号はありませんが、従来の製造方法と比較したデジタル製造の利点は明らかです。高熱入力の課題と制限が軽減されれば、大規模で高品質なアーク積層造形が実現可能になります。

アーク積層造形技術は将来的に主導権を握り、積層造形業界にとって非常に有益です。最近の研究では、アーク積層造形プロセス中の熱入力条件を最適化することで、アーク積層造形部品のマクロ構造、ミクロ構造、機械的特性を向上できることが示されています。熱入力を減らし、構造精度を維持し、堆積速度を上げながら、製造された部品のマクロ構造を改善することが提案されています。幅と高さの比率が小さくなる理由は、入熱量が減少すると、硬化する前に溶接プールが拡張できなくなるためです。熱入力は、アーク AM サンプルの粒径、形状、多孔性に大きな影響を与えます。いくつかの研究では、ワイヤ送り速度、転送速度、熱入力など、木目に影響を与えるプロセス変数を制御することが有益であることが示されています。アーク添加剤サンプルの機械的特性を強化し、アーク添加剤部品の寸法精度と表面品質を改善するには、最適な熱入力と材料組成とプロセス変数の関係をさらに調査する必要があります。高度なコンピュータシステムがアーク添加剤の自動製造プロセスを制御します。複雑で非対称なパーツパターンがそれを補完します。金属は、現在一般的に使用されている溶接プロセスによって堆積できます。溶接方法と熱入力の両方が金属の堆積速度を制御します。アーク付加技術を使用すると、材料の使用率と部品の総コストを効果的に削減できます。アーク積層造形部品の主な問題は、相対応力、多孔性、剥離です。

特殊工学材料の開発、粒子サイズと分布の重要性、熱問題の研究、社内の特殊な用途向けに特別に設計された新しい材料の合成、材料データベースの作成、機械的特性と微細構造特性を改善する方法は、積層造形材料の分野における重要な研究分野の一部です。特にバイオメディカル、建設、航空、自動車などの重要な産業向けの部品を製造する場合には、これらの問題についての徹底的な研究が必要です。

論文リンク:
https://doi.org/10.1016/j.smmf.2024.100059

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