構造工学における金属積層造形に関する研究の進歩、機会、展望

出典: Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance

まだ初期段階ではありますが、金属積層造形（AM）または 3D プリンティングは、現在ではエンジニアリングに適した規模に達しています。新しいテクノロジーは、自動化の強化、カスタマイズの拡大、材料使用量の削減、廃棄物の削減を通じて、経済性、持続可能性、安全性、生産性を向上させる可能性を秘めています。この研究では、最新の研究の進歩、現在の傾向、実際のアプリケーションなど、構造工学における金属付加製造の最近の進歩についてレビューします。建設業界の要件を満たす最も有望な技術と考えられているため、指向性エネルギー堆積アーク（DED-アーク）AM またはワイヤアーク AM（WAAM）に焦点が当てられています。次に、建設における WAAM の経済性と持続可能性、および主要な影響パラメータについて説明します。最後に、将来を見据えて、構造工学における金属付加製造のより広範な応用の機会、展望、課題を提案します。

最近、インペリアル・カレッジ・ロンドンの学者による付加製造に関する最新のレビュー記事「構造工学における金属付加製造 - レビュー、進歩、機会および展望」が、ジャーナル「Structures」に掲載されました。

金属付加製造は、航空宇宙、バイオエンジニアリング、海洋を含む多くの工学分野に導入されており、構造工学でも使用され始めています。これには、材料消費量の削減、複雑で最適化された構造形状の容易な製造、廃棄物の削減、遠隔地での生産の容易さ、混合材料、ハイブリッド構造、補強および修理など、多くの潜在的な用途と利点があります。もちろん、基本的な機械的特性、短期および長期の構造性能の一貫性、幾何学的精度と変動性、建設速度とコスト、品質保証、設計、認証など、多くの課題、障害、未解決の問題があります。構造工学における金属 AM の広範な導入には、これらの問題に対処する必要があります。安全性は最大の関心事ですが、この技術をより広く導入するには、手頃な価格と持続可能性も重要です。

この研究は、指向性エネルギー堆積アーク (DED-arc) AM またはワイヤアーク AM (WAAM) に焦点を当てています。第 2 章では、WAAM 鋼とステンレス鋼の基本的な材料特性に関する研究をレビューします。第 3 章では、構造断面、コンポーネント、システムの動作を調べます。第 4 章では、WAAM を使用したユビキタス lapspice および T-stub 接続の詳細に関する実験のレビューや、より最適化された接続の機会の調査など、WAAM 接続の有望な分野について検討します。実際、構造工学における AM の実現可能性にとって極めて重要となる可能性のある最適化のトピックは、セクション 2 の材料異方性の活用、セクション 3 の断面、コンポーネント、構造の幾何学的最適化、セクション 4 の接続、セクション 5 の補強と修復の文脈を含め、論文全体にわたって提示されています。経済性と持続可能性については第 6 章で説明し、構造工学における金属 AM の応用の展望については第 7 章で説明します。公式アカウントをフォローしてください: 積層造形の科学研究とエンジニアリングアプリケーションに焦点を当てた Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance!

△ WAAM 鋼材の破断引張試験片と DIC から取得した破断時の縦ひずみ場 △ WAAM 管状断面試験の一般的な破壊モード △ 最適化された波形シェル △ 最適化された WAAM 鋼カンチレバー構造積層造形または 3D プリントは、実行可能な建設方法として浮上している破壊的なテクノロジーです。この論文では、構造工学分野における金属付加製造の研究と実践の進歩についてレビューします。指向性エネルギー堆積アーク（DED-アーク）AM またはワイヤアーク AM（WAAM）は、建設ニーズ（適切な速度、規模、寸法精度）を最もよく満たす技術であると考えられており、荷重支持用途への適合性を確認する実験データが増えています。材料試験では、一般的に良好な機械的特性が示されましたが、印刷パラメータと装置の影響、応答の変動、欠陥の発生、およびその他の不確実性については、さらに調査する必要があります。構造断面、部材、接続部、およびシステム全体の物理的テストにより、未加工の試験片のテストによって決定された材料特性を使用して実際の形状の影響を考慮すると、既存の設計方法では観察された構造応答を合理的に予測できることが実証されました。金属 AM 構造の設計フレームワークと安全係数を開発するには、さらなる研究とデータが必要です。

△ 橋梁の荷重試験 △ さまざまな荷重条件下で最適化された梁と柱の接合 △ 積層造形によって製造された革新的な接合要素の例: (a) 梁フック、(b) 管状コンポーネント用のフラットジョイント、(c) 管状プロファイル用のスリーブコネクタ実際に最も有望な初期の潜在的な用途は、接合、補強と修復、および象徴的な構造であると考えられており、これらはすべて、AM によって提供される利用可能な幾何学的自由度を活用するために最適化を使用できます。最適化は、この新しいテクノロジーの実現可能性、経済性、持続可能性にとって鍵となると考えられています。潜在的な利益を最大限に活用するには、さらなる革新と想像力が必要になります。公式アカウントをフォローしてください: 積層造形の科学研究とエンジニアリングアプリケーションに焦点を当てた Additive Manufacturing Master and Doctor Alliance!

全体的に、建設業界における金属 AM の幅広い導入には明らかな課題があるものの、初期の兆候は良好であり、潜在的なメリットも明らかです。構造の最適化、材料の使用量と廃棄物の削減、自動化の向上、構造の強化と修復、建築材料と製品の再利用の拡大はすべて、将来のより持続可能な建設業界の重要な要素になると予想されており、積層造形はこの分野で間違いなく重要な貢献を果たすでしょう。

論文リンク:

https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.12.039 翻訳：

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