新たな材料の開発と現場支援型積層造形による機能統合の実現

新たな材料の開発と現場支援型積層造形による機能統合の実現
フィールド支援積層造形は、さまざまなエネルギー場の固有の利点を組み合わせて、従来の積層造形技術の限界を克服する新しい製造技術です。堆積した材料の微細構造、機械的特性、成形品質を向上させるための補助手段として、外部エネルギー場(磁場、音響、機械場、熱場、プラズマ場、電場、結合多場など)を導入する技術。

たとえば、積層造形における磁気・熱・変形場の結合は、材料の強度、延性、疲労特性を改善する可能性があります。磁場は等軸粒子の形成を促進し、機械的異方性を緩和し、延性を向上させることができ、一方、熱場は材料内にその場で強化析出物を形成させ、より優れた強度を得ることができるからです。同時に、機械的変形により欠陥を除去し、結晶粒を微細化し、材料に圧縮応力を生じさせることで疲労特性を改善することが可能です。さらに、超音波振動は溶融プールを攪拌・混合することができるため、複合粉末の付加製造における均一性の問題を解決するために使用できる可能性があります。現在、現場支援は主にLPBF、LDED、WAAMプロセスに基づいており、アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル基高温合金、マグネシウム合金、鋼鉄など、幅広い金属材料に適用されています。補助磁場は、溶融プールの対流とダイナミクス、温度分布、および微細構造の凝固挙動に大きな影響を与えます。

積層造形材料のカスタマイズは開発トレンドです。システムとプロセスの進歩に加えて、材料と製造プロセスの共同設計における革新も重視されるべきであり、現場支援による積層造形は新しい材料の開発の機会を提供します。たとえば、熱場は析出物の形成を促進し、相組成を調整するために使用できます。機械場に関連する大きな変形は、それぞれ高い蓄積エネルギーとより多くの潜在的な核形成部位により、再結晶と in situ 析出を促進します。析出速度が速い材料は、補助機械場処理中に in situ 析出を達成する可能性があります。さらに、AM プロセス中に音響場を展開すると、有害な硬質相の偏析を分散させることができ、材料内の高密度硬質相 (鋼鉄の Laves 相など) を適応させて材料を有益な相として強化する良い機会も得られます。したがって、最終的に支援フィールドを活用するには、フィールド支援をマテリアル デザインの観点から構築する必要があります。


△ 積層造形プロセスにおける現場支援の仕組みのまとめ

△付加製造への補助場の貢献のまとめ 異種構造や機能性材料の開発にも場の支援を活用することが可能です。機械的ひずみによって FCC から BCC への転移が誘発されるため、機械的な場を利用して BCC/FCC ヘテロ構造材料を開発することができます。具体的には、層状堆積では、機械的ひずみ(ローリングやハンマーなど)を交互に適用することで、層状の BCC/FCC ヘテロ構造の二相コンポーネントを得ることができ、より高い機械的特性を実現できる可能性があります。さらに、現在の金属積層造形技術では、印刷された微細構造をプログラムで制御することができないため、部品内の材料の複雑さを調査する能力が欠けています。積層造形中に補助場を使用すると、部品の粒子サイズ/形状、相構成、応力レベルを局所的に調整できるため、強度と塑性の相乗効果、強度と疲労の組み合わせ、延性と耐摩耗性の組み合わせ、強度と熱特性の組み合わせ、磁性部品と非磁性部品の組み合わせなど、さまざまな領域の特性と性能を定義して部品の全体的な性能を向上させることができます。

材質、金属

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