南京航空航天大学：2319アルミニウム合金のアーク積層造形における液滴移動と成形品質の関係！

出典: 溶接科学

ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) は、その高い堆積速度のため、広く研究されてきました。しかし、WAAM サンプルの成形品質は、他の積層造形技術と比較して劣っていました。サンプル成形の品質は、その後の加工に必要な時間に直接関係します。したがって、成形品質を制御することでサイクルタイムをさらに短縮できます。さらに、成形品質が向上すると材料の無駄も削減できます。したがって、サンプルの成形品質は常に WAAM の焦点となっています。

2023年9月13日、南京航空航天大学材料科学技術学院の詹暁紅教授と王雷雷准教授のチームは、航空産業成都飛機工業（集団）有限公司と協力し、最新の研究成果を学術誌「国際先進製造技術ジャーナル」に発表した。高速カメラを使用して、WAAMの液滴転送プロセスを撮影した。 Zhan Xiaohong教授とWang Leilei准教授が共同責任著者であり、修士課程の学生Dou Zhiweiが第一著者です。

本研究では、WAAM成形プロセスを液滴移動の観点から説明し、液滴移動が側面成形品質に与える影響のメカニズムを評価します。高速写真撮影を使用して、溶融池のサイズと液滴移動頻度を抽出しました。この研究では、これらの要因がワイヤ送り速度と層数によってどのように変化するかについても調査しました。液滴移動プロセスを研究するために、高速撮影の結果に基づいて2次元液滴移動モデルを確立しました。次に、堆積したサンプルの粗さを取得するために 3D サンプルモデルを構築しました。最後に、平面をフィッティングして、成形品質と液滴移動プロセスの関係を研究しました。ワイヤ送給速度、溶融池長さ/溶融液滴移行頻度、粗さの関係モデルが得られました。ワイヤ送給速度が5.5～6.5m/分の場合、ワイヤ送給速度の増加に伴って側面粗さも増加します。しかし、ワイヤ送り速度が7.0m/分になると、側面の粗さが急激に減少しました。研究者たちは、液滴移動運動の法則を用いて、成形品質のこの変動を説明しました。

図1. WAAMにおける液滴転送プロセスの実験とシミュレーションの比較：a、ft=25ms、b、gt=43ms、c、ht=44ms、d、It=54ms、e、jt=74ms。

図 2. 異なるプロセスパラメータにおける電流/電圧波形: ab WFS=5.5 m/min; cd WFS=5.5 m/min; e–f WFS=5.5 m/min; g–h WFS=5.5 m/min

図3. 異なるプロセスパラメータにおける液滴直径とプールの長さ: a WFS=5.5 m/min; b WFS=6.0 m/min; c WFS=6.5 m/min; d WFS=7.0 m/min

主な結論<br /> この研究では、WAAM 内の 2319 個のアルミニウム合金サンプルの液滴移動プロセスを高速カメラで観察しました。サンプルの表面形態は 3D スキャナーを使用してスキャンされ、再構築されました。側面の粗さを計算します。研究結果によると、液滴遷移プロセスと成形品質の関係について、次のような結論を導き出すことができます。

（１）ワイヤ送給速度が増加すると、溶融池長さと溶滴移行頻度もそれに応じて増加する。ワイヤ送給速度の増加とともに溶滴径は減少し、7.0 m/分では明らかな段階的な減少が見られます。

（２）WAAMサンプルの表面形態を3Dスキャナで取得し、側面形態を抽出して側面の粗さを計算した。 5.5～6.5m/分の範囲では、ワイヤ送給速度の増加に伴い側面粗さも増加します。しかし、ワイヤ送給速度が7.0m/分に達すると、側面粗さは急激に減少します。

（３）ワイヤ送給速度の増加に伴い、溶融池長さと溶滴遷移頻度が徐々に増加し、溶滴径が減少するため、サイドプール流れが強化される。ワイヤ送り速度の増加に伴い、側面粗さも増加します。しかし、ワイヤ送給速度が7.0m/分に増加すると、溶融池と溶滴遷移周波数プールの長さはさらに増加するものの、溶滴径が急激に減少するため、溶融池の変動は減少します。この変動の減少により、側面粗さが減少し、成形品質が向上します。

連絡先著者<br /> Zhan Xiaohong は、工学博士、教授、博士課程の指導者、国家主要人材プロジェクトの選抜候補者、オハイオ州立大学 (OSU) の客員研究員、南京航空航天大学のレーザー溶接および再生技術研究所所長です。彼は省レベルと部署レベルで一等賞を1回、二等賞を2回受賞し、国家「千人計画」科学技術革新のリーダー人材、江蘇省「六つの才能峰」のハイレベル人材、省の「333人人材」、南京航空航天大学の「天空の人材」に選ばれた。国家重点研究開発計画プロジェクトの評価専門家、中国民用航空局「第14次5カ年計画」専門家グループの専門家などを務める。主にレーザー加工、溶接と高度な接合、積層造形と再生の分野における機構、プロセス、設備、モデリングとシミュレーションの研究に従事し、航空機の大規模で複雑な溶接構造の組織、欠陥、応力、変形の正確な解決方法と制御戦略に専念し、また、マルチ物理場とマルチサイズの定量的ソリューションに基づいて、溶接と再生構造部品の欠陥診断、寿命評価、構造プロセス最適化に関する研究を行っています。彼は、我が国の国産大型旅客機C919の胴体溶接構造、ある種類の航空機の大型主荷重支持構造、ある種類のロケットタンク、XXX航空機キャビン、XXX航空機キー構造などの製品の研究開発を主宰しました。国家自然科学基金プロジェクト3件、国家重点研究開発計画プロジェクト2件、国防重点基礎科学研究プロジェクト、科学技術局XXXXプロジェクト、中央軍事委員会装備開発部の野戦基金重点プロジェクト、173プロジェクトなど、10件以上の国家プロジェクト（国家重点プロジェクトを含む）を主宰した。AVIC、COMAC、CASIC、CASICなどの部隊の10件以上の主要モデル開発プロジェクトを担当し、多数の国家863、973プロジェクトに参加した。国産大型旅客機C919の胴体壁パネルの溶接技術と設備の研究を主導し、国内初の大型デュアルレーザービーム両面同期溶接設備の開発で画期的な成果をあげ、ある種類の航空機の大型で複雑な溶接構造部品の開発を実現し、中国初のレーザー溶接ロケットタンクの開発を完成し、長征シリーズのロケットやXXXモデルなど多くの製品のレーザー溶接プロセス設計と溶接応力と変形の精密制御で画期的な成果をあげました。彼は、Journal of Materials Science & Technology、Journal of Materials Processing Technology、Materials Science and Engineering A、Materials & Design、Journal of Manufacturing Processes、Journal of Alloys and Compounds、Science and Technology of Welding and Joining、Optics and laser technologyなどのジャーナルに200件以上のSCI論文を発表し、60件以上の認可された発明特許を取得し、「航空宇宙用高性能アルミニウム合金のデュアルレーザービーム両面同期溶接技術」と題するモノグラフを出版しました。彼は江蘇省科学技術賞一等賞を1回、江蘇省教育功績賞二等賞を2回、航空産業科学技術進歩賞二等賞、中国電子技術グループ科学技術賞、南京自然科学優秀学術論文賞、南京航空航天大学優秀教育功績賞一等賞を受賞しています。

王雷雷（男性）、湖北省十堰出身。准研究員/修士課程指導者、江蘇省二重イノベーション博士、中国溶接学会ロボット工学・自動化専門委員会委員、中国電気工学会電気溶接技術専門委員会委員。 2018年6月に華南理工大学で博士号を取得。博士課程在学中は、米国ペンシルベニア州立大学で1年間共同研修を受け、シンガポール製造技術研究所で1年間博士研究員として研究を行った。レーザー溶接や再生に関する研究を主に行っており、重要な国家航空機の予備研究業務を行っています。研究方向：（１）レーザー溶接と高度な接続（２）レーザー再製造技術と装置（３）レーザー加工シミュレーション。

チームについて

「ライトチェイサー」 - 南京航空航天大学レーザー溶接・精密再生研究グループ

「ライトチェイサーズ」は、南京航空航天大学材料科学技術学院のレーザー溶接および精密再製造研究グループのZhan Xiaohong教授が率いるチームです。研究グループの主な研究方向は、レーザー溶接と高度な接合技術、レーザー積層造形プロセス、金属と複合材料/セラミックス間の接合、材料加工技術のモデリングとシミュレーションなどです。長年にわたり、航空、航空宇宙、鉄道輸送、エンジニアリング機械、船舶などの分野における複雑な構造部品のレーザー溶接プロセスの開発、溶接変形の精密制御、溶接プロセスの最適化とシミュレーション研究などに取り組んできました。

チームは、国家重点研究開発計画、国家自然科学基金、国家863計画、国防973計画、中央軍事委員会科学技術委員会173計画、中央軍事委員会装備開発部重点プロジェクトなど40以上の科学研究プロジェクトと、10以上の重要な航空宇宙モデル開発タスクを担当しています。 200 本以上の学術論文（160 本以上の SCI 論文を含む）を発表し、100 件以上の発明特許を申請しています。江蘇省科学技術賞一等賞、江蘇省教育功績賞二等賞2回、南京航空宇宙大規模教育功績賞一等賞、南京自然科学優秀学術論文賞、中国電子科技集団公司科学技術賞を受賞。

現在、チームには教授 1 名、准教授 2 名、講師 1 名、博士課程学生 8 名、修士課程学生 40 名が所属しています。「国防の七人の息子」の一つである南京航空航天大学は、航空宇宙レーザー接続と製造に重点を置いており、これは「ライトチェイサー」チームの永遠のテーマです。軍用グレードの品質を創造し、優れた人材を育成するために、私たちの旅は星と海へ向かいます！

論文引用

Dou, Z., Lyu, F., Wang, L. et al. 2319アルミニウム合金のワイヤアーク積層造形における液滴移動と成形品質の関係。Int J Adv Manuf Technol (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-11879-z

南京航空航天大学：2319アルミニウム合金のアーク積層造形における液滴移動と成形品質の関係！

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