リアルタイムの残留応力評価による工業デザインの最適化により、金属 3D プリント部品の生産効率を向上

リアルタイムの残留応力評価による工業デザインの最適化により、金属 3D プリント部品の生産効率を向上
この投稿は Bingdunxiong によって 2022-9-26 16:05 に最後に編集されました

南極のクマの紹介:金属 3D プリントの構築プロセスでは、レーザーを使用して作成された材料は、印刷プロセス中の急速な加熱と冷却により残留応力を生じる可能性があります。印刷後に部品を熱処理またはアニールすることで、歪みを軽減できます。しかし、熱が多すぎると望ましくない構造変化を引き起こす可能性があります。この問題を解決するために、国内外の科学研究チームが解決策を研究しています。

2022年9月26日、アンタークティックベアは、ゼネラル・エレクトリック(GE)がカリフォルニア大学バークレー校、米国エネルギー省(DOE)オークリッジ国立研究所(ORNL)科学局の研究者らと共同で、残留応力がどこで形成されるか、応力を緩和するためにどの温度でアニーリングを行うべきかを理解し、それによって部品設計とアニーリングの時間と温度を最適化するための一連の最新研究を実施したことを知りました。

△研究者らは中性子散乱を利用して、金属 3D プリントサンプルの内部応力をアニーリング前 (右上)、アニーリング中、アニーリング後 (右下) に測定しました。レーザー金属印刷部品の残留応力を制御することで、ひび割れや故障を防ぐことができます。
より効率的な金属 3D プリント部品を製造するために<br /> 研究チームは中性子回折法を用いて、一般的な金属合金であるインコネル625のサンプルの残留歪みの位置を特定した。研究者らは、大強度陽子加速器研究センター(J-PARC)のNOBORUビームラインで初期の中性子較正実験を実施した。中性子イメージングにより、アニーリングプロセス中に高温炉内でサンプルをリアルタイムで観察することができました。中性子は炉壁を容易に貫通し、焼鈍処理中に部品全体のひずみ緩和をマッピングすることができます。

その後、研究者らは測定された圧力をコンピューターシミュレーションデータと比較した。彼らは 3D 印刷プロセスをシミュレートし、プロセス パラメータの関数としてサンプル内の残留応力の分布を予測しました。室温でのシミュレーション結果と実験測定を比較すると、シミュレーション データを部品の体積全体で平均すると良好な一致が見られ、シミュレーション結果を検証するための実験の有用性が確認されます。

△研究チームの研究成果は「3Dプリントされたインコネル625の残留応力の緩和と優先結晶粒配向をその場中性子イメージングで監視」と題されている(ポータル)
研究成果と強力な科学研究チーム<br /> 新しいモデルでは、製造中の残留応力の蓄積を最小限に抑えることで、部品設計の小さな変更がより強力になるかどうかをより正確に予測できます。新しいモデルは、3D プリントのレーザー ビームの直径や移動速度を変更すると、生産品質が向上するかどうかも示します。

この研究結果は、GE がコンピュータ モデルを検証し、3D プリントされたコンポーネントの設計を最適化して、印刷プロセス中の残留応力の形成を減らすのに役立ちます。このデータにより、GE は製品をアニールし、望ましくない構造上の問題を引き起こすことなくひずみ緩和を最適化することも可能になります。

この研究は、米国エネルギー省科学局、GEグローバル・リサーチ・センター、カリフォルニア大学バークレー校、日本原子力研究開発機構の支援を受けて行われた。中性子散乱は、核融合中性子源(ORNL が運営する米国エネルギー省科学局ユーザー施設)と日本核融合中性子源(J-PARC)の NOBORU 装置で実施されました。カリフォルニア大学バークレー校でのエネルギー分解イメージングとMCP/Timepix検出器の開発は、DOEの資金提供を受けました。


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