浙江海洋大学の李振華教授チーム：船上の振動環境がアーク液滴の特性とアーク積層造形の形成形態に与える影響...

出典: 中国機械工学ジャーナル

引用論文

Xuezhi Shi、Chengheng Cai、Pengfei Bao、Zhenhua Li。ワイヤーアーク積層造形における船舶振動のアークと液滴の特性および形態への影響。中国機械工学ジャーナル：積層造形最前線、2023年、2(1):100067。
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100067.

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2772665723000065‍
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研究の背景と目的

アーク積層造形技術は、レーザービームや電子ビームなどの高価な成形設備の欠点や、現地での修理に適さない欠点を克服し、船舶設備を船上で修理・製造する可能性を提供します。しかし、船舶の振動は船上機器の性能や動作に多大な影響を及ぼします。船上アーク積層造形の実現可能性を探るためには、船上振動環境が成形に与える影響について詳細な研究を行い、積層造形中のアークと液滴遷移の発展法則とメカニズムを明らかにする必要があります。

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論文のハイライト

（１）船舶振動環境下におけるアーク積層造形装置の振動応答を研究した。

（２）船上振動環境下におけるアーク形態と溶滴移行挙動の進化を調査した。

（３）船上振動環境下におけるアーク形態と溶滴遷移挙動の不安定化メカニズムが明らかになった。

（４）船舶搭載型アーク積層造形法は一定の実現可能性を有していることが検証された。

図1 船上振動環境下における液滴移動の挙動とメカニズム
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試験方法

アーク積層造形装置を振動台に設置し、正弦波の可変周波数振動信号で船舶の振動を模擬した。ER50-6低炭素鋼の堆積実験を行った。振動信号取得システムを使用して、溶接ガンと作業基板の振動信号をリアルタイムで検出した。高速カメラ監視システムは、アークと溶滴遷移の情報を記録した。アーク円錐角、アーク偏向角、溶滴遷移形状、溶滴直径、溶滴偏向角、成形部品の形態精度を定量的に評価した。船舶振動環境におけるアークと溶滴遷移の進化挙動と成形形態への影響を分析した。

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結果

（１）外部振動環境の影響により、アーク積層造形装置の各部が振動する。その中でも、成形に最も影響を与える溶接ガンと基板は差動振動を生じ、アークや溶滴移行挙動に変化を生じ、成形形態を悪化させる。

（２）アーク形状は不安定になり、ベル型からトランペット型、扇型、ほうき型、不規則型へと変化します。アーク偏向角とアーク円錐角の変動範囲は定常状態をはるかに超え、平均値はそれぞれ9.8°と61.9°です。

（３）液滴の偏りはより深刻で、定常状態の２倍である。遷移形態も定常状態のジェット遷移から多数の大きな液滴遷移と短絡遷移に変化する。平均液滴遷移時間と液滴直径はともに定常状態のそれぞれ１３．９ｍｓと１．５ｍｍよりも大きい。

（４）成形された試料の形態は劣化しているが、内部は依然として緻密で欠陥がない。

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結論は

アーク形態、溶滴移行挙動、溶融池形態の安定性を確保することが、高品質の成形を実現するための鍵となります。本論文では、アーク積層造形装置の溶接ガンと作業基板の振動信号をリアルタイムで検出し、成形プロセス中のアークと溶滴遷移挙動の変化を記録することで、船上の振動環境が成形プロセスにどのように影響し、成形部品の形態に変化を引き起こすかを分析します。この研究では、アーク積層造形が船上の振動環境において高い適用性を持つことが予備的に検証されましたが、厳しい振動条件下では依然として課題に直面しており、さらなる研究が必要です。

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展望と応用

「船舶搭載型積層造形」とは、積層造形設備を船舶に搭載し、要求に応じて迅速に部品を準備できる積層造形技術の特性を十分に発揮させることで、深海の開発と応用、船舶の修理・メンテナンスにおいて重要な役割を果たします。しかし、現在まで、造船における積層造形は依然として探索と評価の段階にあり、特に厳格な品質認証を必要とする金属部品に関しては、成功事例は報告されていません。アーク積層造形は環境適応性と耐障害性に優れており、船舶製造における発展の可能性と応用の見通しを持っています。

チームリーダー紹介

浙江海洋大学海洋工学設備学院教授、副学部長、李振華氏。浙江省の「151人人材プロジェクト」第3レベルと舟山市の111人人材。彼は、国立自然科学財団のプロジェクト 1 件と、省庁および省庁のプロジェクト 10 件以上を統括し、完了させました。近年、SCI ジャーナルに 10 件以上掲載されるなど、30 件以上の学術ジャーナル論文を発表し、20 件以上の特許を取得しています。上海自然科学賞第3位、中国非鉄金属産業科学技術賞第2位、中国総商会科学技術賞第3位を受賞。中国機械工学会トライボロジー支部第10委員会委員、浙江省女性科学技術協会第2代理事、浙江省振動工学協会理事、舟山市熱処理学会理事を務めている。

著者について

Shi Xuezhi（本論文の第一著者/責任著者）は、浙江海洋大学海洋工学設備学院機械工学科の学科長であり、主に海洋分野における積層造形技術の研究に従事しています。近年、浙江省、舟山市などで数多くの科学研究プロジェクトを主宰し、20本以上の学術論文を発表し、10件以上の特許を取得しました。

チーム研究の方向性

海洋分野における積層造形技術の研究。これには、(a)船舶搭載型積層造形技術、(b)人工リーフ3Dプリント技術、(c)高性能金属材料のレーザー選択溶融技術が含まれます。

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