トロント大学は、先進的な鋼、ニッケルベースの超合金、高エントロピー合金に焦点を当てた新しい金属付加製造研究を進めています。

この投稿は warrior bear によって 2023-4-3 21:25 に最後に編集されました。

2023年4月3日、アンタークティックベアは、トロント大学のゾウ・ユー教授（MSE）のチームが、主に選択的レーザー焼結（SLS）と指向性エネルギー堆積（DED）技術に焦点を当てた新しい金属積層製造技術の研究を加速していることを知りました。この研究プロジェクトは、同校初の金属3Dプリント実験室に基づいています。コンピュータ支援設計（CAD）を使用して材料を層ごとに構築する金属付加製造は、航空宇宙、バイオメディカル、エネルギー、自動車の各産業における製造業に革命をもたらす可能性があります。
ゾウ教授は次のように語っています。「私たちは、付加製造プロセスの背後にある基本的な物理学を明らかにし、付加コンポーネントの機械的特性を改善して、実際のアプリケーションで使用できる新しい構造および機能材料を作成することに取り組んでいます。」チームはまた、SLM および DED 印刷プロセスをより深く理解するために、新しい実験および分析方法を適用しています。現在、彼らの研究は先進的な鉄鋼材料、ニッケルベースの超合金、高エントロピー合金に焦点を当てています。将来的にはチタンやアルミニウム合金の探究へと拡大する可能性もあります。
△ゾウ・ユー教授と彼の 3D プリントチームは、極限力学および付加製造研究所で研究を行っています。写真提供: サファ・ジンジェ
部品やコンポーネントをバルク材料から製造する従来の製造方法とは異なり、金属 3D 印刷プロセスでは、微細構造と材料構成を局所的にカスタマイズできます。つまり、従来の製造方法と比べて大幅に異なる特性を示す可能性があります。「例えば、医療用インプラントには、外側は密度が高く硬く、内側は多孔質である人間の骨に似た材料が必要です」と、ゾウ研究室のMSE博士課程の学生であるシャオ・シャン氏は言う。「従来の製造方法では、これを実現するのは非常に困難ですが、金属印刷では、より制御しやすく、カスタム製品を作ることができます。」
また、付加製造プロセスでは、航空宇宙エンジン部品、自動車生産用の工具部品、原子炉の主要部品、関節インプラントなどの物体を製造する際に、減法製造技術（鋳造、成型、機械加工など、金型を使用して形状を作成する方法や、熱間加工など、材料を除去して部品を製造する方法）と比較して、製造時間、材料コスト、エネルギー消費量が大幅に削減されます。
ゾウ教授のチームの金属 3D プリンターには、主に選択的レーザー溶融法 (SLM) と指向性エネルギー堆積法 (DED) が含まれており、これらは現在学界と産業界で使用されている 2 つの基本的な金属積層製造技術です。まず、CAD ソフトウェアを使用して、オブジェクトとそのレイヤーの 3 次元モデルを作成します。次に、各層ごとに、機械が金属粉末の非常に薄い層を堆積し、その後、3D モデルで定義された形状に従って強力なレーザーを使用してそれを溶かします。溶融金属が固まると、前の層または基板に付着します。各層が完成すると、機械は粉末ドーピングとレーザー溶融のプロセスを繰り返し、すべての層が印刷されてオブジェクトが完成します。
△ DED プロセスを使用して、3 つの異なる形状を層ごとに製造します。
Tianyi Lyu 氏 (修士課程の学生) は次のように語っています。「従来の製造技術は、大規模な工業生産にはまだ非常に適していますが、積層造形には従来の技術を超える機能があります。これには、複雑な形状の製造、デザインの迅速なプロトタイピングとカスタマイズ、材料特性の正確な制御が含まれます。たとえば、歯科専門家は SLM を使用して、数ミクロン以内の寸法精度で正確な 3D モデルを作成し、患者が義歯やインプラントをカスタマイズできるようにすることができます。迅速なプロトタイピングにより、義歯のデザインを簡単に調整することもできます。インプラントは場所によって異なる材料特性が必要な場合がありますが、これはプロセスパラメーターを変更するだけで実現できます。」
チームの主要メンバーで、MSE の修士課程の学生である Ajay Talbot 氏は次のように語っています。「今日の従来の合金設計の主なボトルネックの 1 つは、新しい材料の作成とテストに必要な処理時間が長いことです。私たちのプロジェクトのような高スループットの材料設計は、従来の製造方法では不可能です。」
研究チームは、DED などの付加製造技術を活用して、合金組成システムの探究を加速し、印刷プロセス中に特定の要素を追加または削除することで材料の組成を変更しようとしています。
△DED機（右）と粉末供給システム（左）の初期化。写真: サファ・ジンジェ
チームのもう 1 人のメンバーである Jiahui Zhang (MSE 博士課程の学生) は、次のように述べています。「私たちはまだスマート製造に向けて取り組んでいます。金属 3D 印刷プロセス中、高エネルギーレーザーと材料の相互作用は数マイクロ秒しか続きません。しかし、この限られた時間枠内で、マルチスケール、マルチフィジックスの現象が発生し、私たちの主な課題は、これらの現象を捉えるデータを取得することです。私たちの研究では、金属付加製造ライフサイクルのさまざまな部分に合わせて特定の機械学習手法をうまく調整しました。」
研究室では、高速赤外線カメラシステムが金属 3D プリンターに直接統合されています。チームはまた、プリンターで撮影した画像に基づいて、印刷されたオブジェクトの主要な特徴を分析および抽出するための現場監視システムを構築しました。
チャン博士は次のように付け加えた。「コンピュータービジョンの発達により、十分に訓練されたディープラーニングモデルは、分類、検出、セグメンテーションなど、人間の視覚システムが実行できるいくつかの基本的なタスクを自動的に実行できるようになりました。」

研究チームは、機械学習とコンピュータービジョンを応用して、積層製造された部品の欠陥を検出して修正できる、完全に自律的な閉ループ制御の 3D 印刷システムの開発に取り組んでいます。ゾウ教授によると、これらのシステムの導入により、産業界における金属積層造形システムの応用範囲が大幅に広がるだろうという。
研究所の金属印刷機能を確立して以来、ゾウ氏と彼のチームは、カナダ国立研究会議 (NRC) などの政府研究機関や、オエティカー社、メックソリューションズ社、EXCO エンジニアリング社、マグナインターナショナル社などの多くのカナダ企業と提携してきました。
ゾウ教授は、付加製造に関する斬新な研究に加えて、トロント大学で学部生と大学院生の両方を対象とした付加製造コースも提供しています。
ゾウ教授は次のように語っています。「金属 3D プリンティングは、私たちが知っている製造業に革命を起こす可能性を秘めています。強力な自律システムにより、これらのシステムの運用コストを大幅に削減できるため、世界中の業界で金属積層造形が広く採用されるようになります。さらに、積層造形プロセスにより、材料とエネルギーの無駄も大幅に削減され、より持続可能な製造業につながります。」

トロント大学は、先進的な鋼、ニッケルベースの超合金、高エントロピー合金に焦点を当てた新しい金属付加製造研究を進めています。

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