ケーススタディ | SLM Manufacturing MTS 高温引張治具

SLM金属印刷技術は、3D印刷の主要技術として、科学研究および産業界から引き続き注目を集めており、現在、中国では伝統的な製造企業がこの技術に積極的に取り組み始めています。中国の発展が遅いのに比べると、海外は依然として先を進んでいます。今号では、高温治具の製造を例に、材料試験システム（MTS）における3Dプリントの応用について紹介します。

一部の特殊産業では、超高温条件下での材料の機械的特性に対する要求が高いため、既存の引張試験機の治具は主に圧力をかけた金属材料で作られており、高温および加圧プロセス中に早期に降伏して故障します。たとえば、IN718 合金の高温クリープ特性 (700°C) を測定する場合、標準的なスチール製の固定具は簡単に壊れる可能性があります。さらに、不安定な固定具では、性能テスト中にデータの正確性と一貫性を保証できません。これは、一貫性のリスクがすでにある 3D プリント部品のテストではさらに問題になります。

パフォーマンスを正確に定量化するために、米国空軍技術研究所 (AFIT) の研究者は MTS 固定具を再設計し、SLM 技術を使用して製造しました。これにより、熱伝達率が向上し、高温クリープ時の固定具の熱応力が軽減され、固定具の割れの可能性が減りました。

MTS固定具最適化設計
3D プリントは、複雑な内部構造を持つ部品の製造に有利です。この利点は、コンフォーマル冷却水路金型の製造だけでなく、冷却水路を備えた固定具の製造にも活用できます。

当初、研究者らは内径3mmの3回路流路を設計し、流路内の粉末を除去するのが容易ではないことを発見した。最適化後、直径5mmのシングルループ流路に改良し、加工方向も最適化してサポートの使用を削減しました。改良された設計により、粉末の除去が容易になり、実験テストに最適な流体環境も提供されます。
放熱の CFD シミュレーション3D プリントされた MTS 固定具と従来の方法で製造された MTS 固定具の放熱効果を比較するために、研究者はシミュレーションを実施しました。 2 つのモデルパーツを ANSYS Fluent ソフトウェアにインポートし、運動量、エネルギー、連続性方程式に基づいてシステムのエンタルピーを計算します。合計エンタルピー値の変化がシステムの熱放散効果です。

2 つのモデルの温度分布を比較すると、放熱効果のシミュレーションにより、3D プリントされた MTS 固定具のエンタルピー変化が従来のプロセス固定具の 2.87 倍高く、温度分布がより均一であることがわかりました。
MTS フィクスチャの製造に使用する機器は、Concept Laser M2 Cusing です。モデルには、ベースプレートから分離する際の偏差を補正するための 4mm のマージンがあります。ベースプレートの材質はスチールです。印刷ではアイランドスキャン戦略を採用し、後処理プロセスにはワイヤー切断、表面研削、および重要な場所での穴あけが含まれます。

実験テストAFIT の研究者は、SLM で形成された MTS 固定具を 22 KIP 810 MTS® に取り付け、流量 13.5 mL/秒、冷却剤温度 22 °C、クランプ圧力 6.8 MPa、引張力 1000 N、クリープ温度 700 °C の条件で、冷却剤として脱イオン水を使用しました。クリープ試験中、金属製固定具は Aeroglaze Z306 でコーティングされ、FLIR® SC7650 赤外線カメラを使用して、3D プリントされた固定具と従来の方法で製造された固定具の両方の熱画像を監視しました。

結果は、3D プリントされた器具の方が熱変換効果が優れていることを示しています。従来の方法で製造された器具の冷却プロセス中の平均温度は 31.7°C ですが、3D プリントされた器具の平均温度は 27.7°C に過ぎません。
要約すると、金属 3D プリントのコンフォーマル冷却水チャネルは、金型の設計スペースを広げ、この利点は他の分野にも応用できます。 AFIT の研究者が SLM を使用して製造した IN 718 MST 固定具は、高温クリープテストでの熱応力が非常に低く、高温高圧環境下での固定具の亀裂の可能性が低減されます。冷却チャネルの放熱能力をさらに向上させるために、より複雑な螺旋チャネルを設計して乱流環境を作り出し、熱伝達効率を向上させます。この設計は、他の同様の用途にも適しています。
出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

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