高強度低合金鋼部品のアーク積層造形:環境への影響、コスト、機械的特性!

高強度低合金鋼部品のアーク積層造形:環境への影響、コスト、機械的特性!
出典: 溶接科学

2024年7月12日、ポルトガルのリスボンにあるノバ大学理工学部の研究チームは、環境影響、コスト、機械的特性の評価を含む高強度低合金鋼部品のアーク積層造形技術を研究した最新の研究論文「高強度低合金鋼部品のワイヤーアーク積層造形:環境影響、コスト、機械的特性」を学術誌「国際先進製造技術ジャーナル」に発表しました。

この論文では、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) のための指向性エネルギー堆積法 (DED) の新しい技術を調査します。 WAAM は、既存の粉末ベースの AM 技術に比べて、構築速度が速く、大量構築が可能で、原材料と機械ツールが安価であるため、急速に人気が高まっています。しかし、WAAM 製品には、表面粗さが悪く、寸法精度が低く、熱変形や残留応力が発生し、穴、亀裂、隆起などの欠陥が発生するため、通常は仕上げや熱処理などの後処理が必要になります。これらの後処理操作により、WAAM ビルド コンポーネントの製造コストと環境への影響が増加します。そのため、この研究では、WAAM 部品の環境への影響、製造コスト、機械的特性を分析し、従来のコンピュータ数値制御 (CNC) ミリング技術やレーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 技術と比較しました。

仕事のハイライト

高強度低合金鋼部品の製造における WAAM 技術の環境影響、コスト、機械的特性に関する包括的な評価が実施されました。

WAAM は、ライフサイクルアセスメント (LCA) とライフサイクルコスト (LCC) 手法を使用して、従来の CNC ミリングおよび LPBF 技術と比較されました。

調査の結果、WAAM は材料効率とエネルギー効率の点で CNC ミリングや LPBF よりも優れており、特に大量生産において経済的であることがわかりました。

WAAM が製造する部品は、鋳造/鍛造材料に匹敵する優れた機械的特性を備えています。

実験方法

WAAM プロセスの原料として、高強度低合金鋼 (ER70S) が選択されました。

WAAM技術とその後処理操作プロセスは実験を通じて確立されました。

WAAM の環境影響とコストは、ライフサイクル アセスメントとライフサイクル コストの方法を使用して評価され、従来の CNC ミリングおよび LPBF 技術と比較されました。

WAAM によって製造された部品は、一軸引張試験やビッカース硬度試験などの機械的特性試験を受けました。

図1. WAAM プロセスの概略図と堆積前後のコンポーネントの例。 図 2. ISO 14044 規格に基づくライフサイクル評価フレームワーク。
図 3. 調整に基づくライフサイクルコストのフレームワーク。
図4.引張試験片の方向と寸法。
図 5. 検討中のコンポーネント、その寸法、堆積後の WAAM コンポーネント、および仕上げ後の WAAM コンポーネント。
図6. 検討中のシステムの境界。
図7. WAAM電力測定。
図8. CNC加工電力測定。
図 9. WAAM を使用して選択した部品を製造する手順。
論文概要<br /> この調査では、WAAM で製造されたコンポーネントの完成から完成までのライフサイクル評価とコスト分析を実施し、従来の CNC 加工および LPBF 方法と比較しました。調査の結果、研究対象の機械部品では WAAM により材料が 40% 削減され、最も環境に優しい方法であることが判明しました。バッチ サイズが 3 を超えると、WAAM が最も安価なオプションになります。 WAAM 製の部品は、特に大型製品の製造において、環境と経済の持続可能性の点で従来の CNC 加工よりも優れています。 WAAM で製造された部品は、元の材料に匹敵する優れた機械的強度と硬度を示しますが、層ごとの堆積と異方性材料の粒成長により、機械的特性にも異方性があります。

紙の住所
https://doi.org/10.1007/s00170-024-14144-z

メタルアーク

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