積層造形法で製造されたTC4の疲労特性に対する表面粗さの影響

著者: 金欣元

付加製造は、設計の自由度が高く、複雑な形状やカスタマイズされた部品を最適化する大きな可能性を提供する製造技術として、ますます人気が高まっています。航空宇宙業界では、トポロジー最適化を使用して複雑な形状を作成し、構造部品の重量を軽減して燃料効率を効果的に向上させることができます。これらの複雑な形状は、通常、従来の減算製造方法では製造できません。完全に付加製造 (AM) を使用して製造された Ti-6Al-4V 印刷部品が直面する主な問題の 1 つは、特に周期的な負荷条件下で使用した場合のパフォーマンスの信頼性です。積層造形によって製造された部品には通常、亀裂、気孔、表面粗さなどの構造上の欠陥があるため、積層造形されたプリントの疲労挙動をさらに研究する必要があります。

1. 付加製造
積層造形された試験片の表面粗さと疲労挙動の関係を研究した学者もいますが、鍛造部品と同等の疲労限界を得るために、成形部品の表面は機械加工および研磨されて表面粗さが低減されることがよくあります。しかし、積層造形技術の最大の利点の 1 つは、表面の後処理を必要とせずにニアネット部品を直接製造できることです。現時点では、直接印刷された部品の表面粗さと疲労挙動の関係を体系的に研究する必要があります。

2 研究のアイデア<br /> 著者らは、研究対象として Ti-6Al-4V を選択し、直接印刷された部品の疲労挙動に対する部品サイズと表面粗さ、表面積、サンプル直径の影響を調査しました。具体的なアイデアは、EOS M290 デバイスを使用して、特定のパラメータを使用して 45° の成形方向でさまざまな幾何学的サイズのサンプルを印刷し、さまざまなサンプルの表面粗さと対応する疲労性能をテストし、幾何学的サイズ、表面粗さ、疲労性能の関係を特徴付けることです。これは、信頼性の高い積層造形部品や指定されたアプリケーション負荷を持つ部品を設計するための適切な参照を提供します。

3 グラフィックガイド

図 1 異なる幾何学的寸法と上面および下面を持つ試験片の概略図 5 つの試験片の幾何学的形状は図 1 に示されており、2 つの異なるグループに分けることができます。最初のグループは、表面積を徐々に 25% 増加させながら、一定のひずみゾーン体積 (CGV) を維持しました。図 1 ～ 3 に示すように、2 番目のグループは、図 4 ～ 5 に示すように、表面積を徐々に 25% 増加させながら、一定のひずみゾーン直径 (CGD) を維持しました。

図2 5つの幾何学的形状のNS曲線（a）は測定データポイント、（b）は適合されたNS疲労曲線です。形状 1 と 2 は 100 MPa の応力振幅で疲労限界に達しますが、他のすべての形状はこの応力レベルで破損することがわかります。しかし、応力振幅が200MPaに近づくと、図(a)の形状2～5間のデータは一貫して重なり合うことがわかります。図 b の NS 曲線を比較すると、形状 2 ～ 5 が互いに重なり合っていることがわかります。

表 1 実験における異なる幾何学的サイズの試験片の表面粗さ表 1 からわかるように、すべての幾何学的形状について、上面の粗さはほぼ同様で、約 12 ～ 15 μm です。ジオメトリ 2 ～ 5 間の下面粗さは一貫していますが、ジオメトリ 1 の表面粗さは上面の粗さと同等です。図2(b)のNS曲線と組み合わせると、下面の粗さ値の増加が疲労抵抗にさらに悪影響を与えることがわかります。

図 3 5 つの幾何学的形状の試験片の表面粗さのボックスプロット。図から、形状 2 ～ 5 の上部と下部の表面粗さは大きく異なっていることがわかります。一方、直径が大きい幾何学的形状 1 の試験片は、上部と下部の表面粗さがほぼ同じです。表面粗さの統計に基づいて、異なる幾何学的形状の低サイクル疲労挙動 (σa ≥ 200 MPa) の違いを分析できます。形状 2 ～ 5 と比較すると、形状 1 は表面積が最小であると同時に直径が最大であり、図 2 に示すように疲労性能が優れています。形状 1 の試験片で観察される亀裂発生部位が少ないのは、試験片の上部表面と下部表面の粗さの差が小さいためと考えられます。一方、形状 2 ～ 5 は下面の粗さが類似しているため、低サイクル疲労性能が類似していることがわかります。

図4 応力振幅200MPaにおける(a)形状1、(b)形状2、(c)形状3の亀裂発生位置。ここで、(a)は最大直径（最小表面積）、(c)は最小直径（最大表面積）です。
図から、直径が小さくなるにつれて、亀裂の発生点の数が増加し、発生点間の距離が短くなることがわかります。開始位置が近いほど、亀裂同士の相互作用が速くなり、最終的にはより大きな推進力を持つ 1 つの大きな亀裂に融合します。

図 a では、明確な裂け目は 1 つだけであり、矢印で示されるように、互いに離れた 2 つの亀裂開始点があります。

図 b では、まだ明確な裂け目は 1 つしかありませんが、2 つの亀裂開始点が互いにわずかに近づいています。

最後に、図 c には少なくとも 4 つの異なる涙の隆起が示されており、開始位置は図 b よりも近くなっています。一方、図 c の裂け目は深さが大きく、亀裂の最初の拡大段階では図 a および b よりも曲がった表面になっています。これらの観察結果は、ジオメトリ 4 と 5 の疲労データが非常に類似している理由も説明しています。一方、同様の直径を持つ試験片の場合、疲労寿命は表面積に関係なくほぼ一定であり、これは直径係数が疲労性能に大きな影響を与える可能性があることを示しています。

4 要約と編集コメント<br /> この論文では、積層造形法で印刷されたさまざまな形状/サイズの試験片の表面粗さと疲労性能の関係を調査しています。結果は次のことを示しています。

1. 試験片の表面積の違いは実際の疲労性能に影響する可能性がありますが、著者らの異なる直径の試験片の研究では、表面積の増加が疲労挙動に及ぼす有意な影響は観察されませんでした。亀裂の発生は表面粗さに非常に敏感で、すべての亀裂はより粗い下面から発生しますが、表面粗さが低い試験片は通常、優れた疲労特性を示します。実験結果は、張り出した構造の部品を印刷する上で重要な指針となります。例えば、表面粗さが大きすぎると、ひび割れが発生しやすくなり、疲労耐性が低下します。

2. 断面直径は亀裂発生挙動に大きな影響を与え、直径が小さい試験片では通常、複数の亀裂発生点が互いに近接しています。複数の亀裂発生が近接すると、亀裂の合体が早まり、亀裂成長の安定性が低下し、疲労寿命が低下します。成形品の直径が大きくなると、エッジ下の凝固体積が大きくなり、溶融池の熱をより効果的に放散できます。実験では、直径が4.90 mmを超える試験片の表面粗さが大幅に減少しました。この結果は、オーバーハング部品の厚さ/サイズを大きくすることで、表面粗さの低下の影響を軽減できることを示しています。

3. 直径の小さい試験片の場合、表面粗さが高サイクル疲労挙動に大きな影響を与え、高サイクル疲労条件下では印加応力が高くなり、疲労寿命が短くなることがわかりました。

4. 直接印刷された Ti-6Al-4V 成形部品の疲労限界は約 110MPa で、Ti-6Al-4V 鍛造部品の疲労限界 (550-750MPa) よりも大幅に低くなります。粗い表面によって生じた多数の微小ノッチが、SLM 印刷された Ti-6Al4V 試験片の疲労強度の低下の主な原因の 1 つであると考えられます。本論文では、積層造形された印刷部品の表面品質が疲労性能に与える影響について基礎理論研究を行い、実際の印刷プロセスにおける複雑な張り出し構造の設計とプロセス制御に一定の指針となる重要性を持っています。

この記事は、高温合金精密成形研究センターの2017年修士課程の学生であるJin Xinyuanによって編集されました。

著者: 金馨源出典: 高温合金精密成形研究センター

積層造形法で製造されたTC4の疲労特性に対する表面粗さの影響

LaserLight が河北工科大学の付加製造研究を支援

スイスの3Dプリント技術が生分解性電池を開発

ハーバード大学医学部: 多孔質 GelMA ハイドロゲルの 3D プリント

GlassesUSAでは、自宅で自分だけのカスタムメガネを3Dプリントできます。SLSナイロンフレーム

露出：これら78社の中国の3Dプリント企業は、2016年に総収益28.8億元を計上し、そのうち9社は1億元を超える収益を計上した。

バイオ産業発展のための第13次5カ年計画では、新しいインプラント製品への3Dプリント技術の応用を促進することを提案しています。

3Dプリントされたランニングトラックマットは自己修復性があり、長寿命です

黒龍江省初の症例！新しい人工材料を使用した顎欠損のデジタル修復

The Warp: 3Dプリントされた木材で作られた茶室

3Dプリント業界における機器レンタルと材料販売モデルについての簡単な説明

推薦する

溶融プールレーザー衝撃変調積層造形によるCoCrFeNi高エントロピー合金の強化

カスタマイズされた自動車のシャシーの高精度3Dスキャン、ポイントを貼り付ける必要がなく、心配する必要もなく、複雑な構造でも処理できます

Aurora Elvo 3Dプリンターが第5回GACソフトウェアアプリケーション3Dプリントデザインコンペティションへの参加を招待されました

済寧第一人民病院が初の3Dプリント技術成果展を成功裏に開催

金属やセラミックの3Dプリント！エモリーグリーンポリマーバインダー

CONTEXTレポート：3Dプリント市場は2022年に「大幅な成長の準備ができている」

創業30年のスウェーデンの粉末冶金会社Grängesが、積層造形用のS220アルミニウム合金粉末を発売

プロドウェイズがインターソン・プロタックを買収、3Dプリント補聴器をターゲットに

オーストラリアのウーロンゴン大学が3Dバイオプリンティング入門の無料オンラインコースを提供

AGCセラミックスとvoxeljetが新しい3DプリントセラミックBrightorbを開発

ドイツは、髪の毛ほどの厚さしかない3Dプリントの超極小レンズという新たなブラックテクノロジーを考案した。

Avio Aeroは、世界最大のジェットエンジンGE9Xの積層造形を効率化するためにMaterialiseソフトウェアを使用しています。

お知らせ: 約100人の3Dプリント農家がBASFの高速フィラメントを試すことが承認されました

3YOURMIND、米海兵隊の3Dプリント能力強化のためフィリップスと250万ドルの契約を締結

SMX: 3D プリント技術が製造業の未来を形作る