新しい理論モデルはレーザー積層造形における残留応力と臨界堆積高さを予測する

2018 年 10 月 10 日、Antarctic Bear は、オーストラリアとインドの研究者が、レーザー積層造形における残留応力と臨界堆積高さを正確に予測できる新しい理論モデルを開発したことを知りました。

このモデルは、インド工科大学マディソン校の Ramesh Singh 教授のグループとモナシュ大学の Wenyi Yan 教授によって開発され、レーザークラッディングなどの直接エネルギー堆積技術による熱機械的挙動と冶金的変化を研究します。

レーザークラッディングは材料特性を向上させるため、自動車産業や航空宇宙産業の部品や構造部品のメンテナンス、修理、オーバーホールに広く使用されています。

「指向性エネルギー堆積法は、周期的な熱機械的負荷によって損傷を受けた航空宇宙部品、金型、鋳型の修復と再製造に大きな可能性を秘めています」とシン氏は説明した。「しかし、堆積層に引張残留応力が存在すると、部品の疲労寿命が短くなる可能性があります。この共同作業で開発された完全に結合された熱機械および冶金モデルは、堆積層の圧縮残留応力が持続的に修復されることを保証する臨界堆積高さを決定するために使用されました。」

△中性子回折とX線回折により測定された有限要素モデルによって予測された残留応力の比較。画像提供: オーストラリア原子力科学技術機構 (ANSTO)
彼らの研究は、Scientific Reports誌にオンラインで掲載された。論文の中で研究者らは、金属熱機械モデルによって予測されたレーザークラッド鋼の断面における残留応力の変化が、臨界堆積高さの存在を示唆していると報告している。

堆積の臨界高さは、堆積時に堆積層と基板の有益な圧縮残留応力を最大化する層の厚さに対応します。

臨界高さを下回る堆積は界面に有害な引張残留応力を生じさせ、臨界高さを上回る堆積は過度の希釈をもたらします。

この研究では、凝固速度は堆積の臨界高さで最小になることも判明しました。

Kowari 残留応力回折計を使用して、高バナジウム含有量のるつぼ粒子冶金鋼粉末でレーザークラッドされた H13 鋼サンプルのマクロ残留応力を測定しました。

Kowari の残留応力の 3 次元測定は、非常に正確で非破壊的です。

「モデルは検証によってのみ機能します。ひずみスキャン機器であるKowariを使用することで、堆積層内の三軸残留応力を特定することができ、モデルによって予測された場所を確認することができました」と研究科学者兼産業連携マネージャーのアンナ博士は述べています。

レーザークラッディングでは、比較的冷たい鋼板上に溶融金属を堆積させ、複雑な残留応力分布を作り出します。

熱機械特性に基づく理論モデル（一般的に使用される）では、基板とインターフェースの引張残留応力を過大評価し、圧縮残留応力を過小評価することが示されました。

研究チームはインド工科大学の表面X線回折法を用いて、一方向の残留応力を測定した。ただし、社内の測定手順を検証するには、独立した完全に非破壊的な体積測定を実行することが重要です。

両方の回折技術は、溶融前面近くに引張残留応力が存在し、堆積層と界面領域に圧縮応力が存在することを示しています。

「応力を理解し、それを予測できることは、積層造形業界にとって非常に重要です。モデルを検証することは非常に有益です。モデルを使用して製造プロセスをさらに最適化すると、コスト効率が向上し、時間も節約できるからです」とパラドフスカ氏は語った。パラドフスカ氏は、マーク・リード博士とともにこの論文の共著者である。

「このモデルを使用すると、有害な応力の影響を最小限に抑え、有益な圧縮応力を最大化しながら、特定の堆積高さを達成するためのレーザー位置速度を計算できます。」

この研究の著者らは、レーザー付加製造された部品の品質、安全性、経済性を向上させる科学的かつ技術的な解決策を実証することを提案している。

出典: 3ders

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