ORNLの科学者が大規模な付加製造における残留応力を回避する方法を発見

2024年4月12日、アンタークティックベアは、米国エネルギー省オークリッジ国立研究所（ORNL）の科学者が、付加製造法で製造された大型金属部品でよく発生する残留材料応力によって引き起こされる、コストがかかり修復不可能な可能性のある損傷を回避する方法を発見したことを知りました。

業界では、海外に移転してしまった大規模な金属構造物の国内製造能力を回復する方法として、積層造形に注目が集まっている。 3D プリントは、米国で大規模な鋳造所を再建するのではなく、大型部品の製造に使用できるため、サプライチェーンが短縮され、業界は必要なツールやその他の部品を迅速に入手できるようになります。しかし、まずは、3D プリントされた部品が印刷プロセス中に生じるストレスに耐えられることを確認するための研究が必要です。
ORNL の研究者は計算モデルを使用して、金属部品の LFAM により材料内に大きな残留応力 (RS) が生じることを突き止めました。 RS の蓄積により、熱印刷プロセス中に亀裂が発生し、材料が冷却するにつれて亀裂が大きくなり、金属を貫通して回復不可能な損傷を引き起こす可能性があります。
この研究を率いた科学者リティーン・マシューズ氏は、付加製造法はコストがかかり、非効率的で、無効な部品や大量の材料の無駄を生み出す可能性があると述べた。航空宇宙、自動車、防衛などの高価値産業では、部品の製造に積層造形法を急速かつ大規模に導入しているため、これらの悪影響は特にコストがかかる可能性があります。こうした亀裂が発生する理由とそれを排除する方法を理解することで、さまざまな業界でより信頼性の高い 3D プリントが可能になります。
「堆積メカニズムは一般的にすべての付加製造プロセスで類似しているため、これはあらゆる金属 3D 印刷プロセスに当てはまります」とマシューズ氏は言います。

研究チームは、シンプルな解決策を見つけました。それは、構築プロセスとその結果生じる残留応力の計算モデルを使用して、丸い角と 45 度の斜面の形のサポート材料の追加をガイドし、90 度の角と鋭角を排除するというものでした。「重要な部分に材料を追加することで、応力の蓄積を軽減できます」とマシューズ氏は言う。「この手順は意図的なものであり、残留応力の蓄積を防ぎ、部品の故障の可能性を減らします。」
△材料の水平軸と垂直軸の残留応力によって生じる変形のイメージ。オークリッジ国立研究所の研究者たちは、重要な部分に材料を追加するだけでストレスの蓄積を軽減できることを発見した。画像提供: ORNL/米国エネルギー省。
メートル規模の部品は、融合ベースの堆積を採用した積層製造技術を使用して製造されることが増えています。このような大きな部品では、RS とその悪影響は小さな部品に比べて拡大される可能性があります。科学者たちは、部品に残留応力が蓄積すると何が起こるかを予測するためにコンピューターモデリングを実行し、それを回避する方法を調査した。
「高強度の残留応力が存在すると、構造に亀裂が生じ、部品の完全性が損なわれ、強度と疲労特性が低下する可能性があります」と、マシューズ氏と共著者は、第11回CIRPグローバルネットワークカンファレンス（CIRPe 2023）で発表された「大規模なTi-6Al-4Vワイヤアーク溶接製造における残留応力の蓄積」と題した論文に記しています。他の著者には、ORNLの製造科学部門のジェイディープ・カランディカー氏、クリストファー・タイラー氏、スコット・スミス氏が含まれます。

関連論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.procir.2023.09.247
このプロジェクトの資金は、国防総省の産業基盤分析および維持プログラムによって提供されます。この研究はオークリッジ国立研究所にある米国エネルギー省の製造実証施設で実施された。 MDF は、DOE の先端材料および製造技術局の支援を受け、ORNL と連携して米国の製造業の変革を革新し、刺激し、加速させる全国的な協力者連合です。
テキサス大学バテル校は、米国エネルギー省科学局のためにオークリッジ国立研究所を管理しており、同研究所は米国における物理科学研究の最大の支援機関です。

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