金属積層造形の進歩のレビュー：機会、限界、パフォーマンスへの影響、潜在的な解決策

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

はじめに: サウジアラビアのウンム・アル・クラー大学、アクロン大学、ニューヨーク州立大学、英国マンチェスター大学の研究者らが、金属付加製造の進歩、機会、限界、性能への影響、潜在的な解決策について検討しました。関連論文は、「金属積層造形法の進歩：機会、限界、特性への影響、および潜在的な解決策：レビュー」というタイトルで Progress in Additive Manufacturing に掲載されました。

今日、積層造形（AM）は、これまでにないカスタマイズ性と設計の自由度により、主要なデジタル製造方法となっています。金属付加製造 (MAM) は、特に航空宇宙産業において、パフォーマンスが重要となるアプリケーションでますます注目を集めています。疲労耐性を向上させるには、優れた表面仕上げと微細構造の均一性が必要であるため、表面仕上げが悪い部品はこのような用途には使用できません。この記事では、選択された AM 方法で製造されたさまざまな材料に関する最新の研究の詳細な概要を説明します。

この記事では、さまざまな金属や合金についても取り上げ、それらの特定の利点を強調し、関連する課題についても取り上げます。議論には、付加製造技術によって実現される表面品質と機械的特性、および航空宇宙、宇宙船、医療用インプラント、自動車部品における実際の応用が含まれていました。主に粉末床溶融結合法 (PBF) と指向性エネルギー堆積法 (DED) で製造された部品の機械的特性に対する欠陥、処理パラメータ、微細構造の影響について詳しく説明します。これらの新しい構造の表面品質と機械的特性を最適化するために必要な表面硬化プロセスなどの後処理に関する最新の知見をまとめます。さらに、最適なパフォーマンスパラメータのための新しい技術と金属 AM の潜在的な研究開発の展望についても紹介します。要約すると、この記事の調査結果は、研究者が航空宇宙構造物と高性能システムのカスタマイズ、パーソナライゼーション、持続可能性を改善し、それによって廃棄物を削減し、材料を節約し、全体的な効率を向上させるのに役立ちます。

図1 ASTM F42に準拠した積層造形プロセスの分類。
図 2 さまざまな積層造形プロセスを通じて材料を溶融または融合するための熱源。
図3 積層造形（AM）技術を使用して製造されたさまざまな構造の概略図。
図4 PBFプロセスの概略図：a選択的レーザー溶融法（SLM）とb電子ビーム溶融法。
図5 PBF技術を使用して製造されたさまざまなコンポーネント。
図6 SEM顕微鏡写真は、SLM法で作製されたTi-6Al-4Vサンプルの欠陥形態を示しています。
図 7 指向性エネルギー堆積 (DED) プロセスの概略図: a 同軸/多軸粉末ノズル構造による指向性エネルギー堆積と b 単一粉末ノズル構造による指向性エネルギー堆積。図8 さまざまな高度な指向性エネルギー堆積技術を使用して回収および製造されたさまざまなコンポーネントの概略図。
図9 LMD破壊蓄積層におけるLOF欠陥とガス多孔性の破壊形態分析（a LOF欠陥、b ガス多孔性または未溶融粉末）。図 10 指向性エネルギー堆積（DED）多孔性の発生源と種類。図11 各種表面硬化プロセスの概略図。
図12a NASA HR-1合金は、直径6000 mm（1.52 m）、高さ7000 mm（1.78 m）のLP-DEDモノリシックチャネルノズルで90日間堆積されました。 b DED プログラムによって生成された後、DED 方式を使用して修復された損傷したタービンブレード。 c 使用可能な Ti-6Al-4V シャフトがペンシルベニア州立大学応用研究研究所で修理されています。 D-HYBRID DEM MORI LASERTEC 65 DED システムは、「切削工具にダイヤモンド補強層を施した金属炭化物ハードコーティング」と表現される National Blade 構造を特徴としています。
この記事では、タービンブレード、燃料ノズル、熱交換器、航空宇宙部品の構造部品など、高価値構造のさまざまな複雑な部品を製造するために使用できる DED や PBF などのさまざまな付加製造プロセスの重要な領域について説明します。これにより、より軽量で効率的な航空機構造が実現します。これらのコンポーネントは、動作中に周期的な負荷を受けることがほとんどです。これらの部品はすべて、構造物に使用する前に表面品質と安定性に関する厳しい要件を満たす必要があり、積層造形プロセスを最適化することでこれらの要件を満たすことができます。材料の性能を向上させるためにさまざまな表面改質方法が使用されてきたが、材料は依然として圧縮残留応力、不均一な硬度、表面品質の分布に悩まされており、それが材料の疲労強度に影響を与えている。チタン合金、鋼、ニッケル基超合金、アルミニウム合金の付加製造はますます普及しつつあります。この研究は、従来のプロセスで遭遇する困難を解決するために始まりました。
将来の研究の方向性としては、高度な最適化アルゴリズムを使用して、材料と部品の構造パラメータの最適な組み合わせを予測することが考えられます。熱シミュレーションと機械シミュレーションを統合したマルチフィジックスシミュレーションツールは、AM プロセスに関する広範な情報を提供できます。この高度なシミュレーションを使用すると、微細構造の進化と残留応力の分布を予測できるため、プロセスを最適化し、欠陥を削減するのに役立ちます。新しい効果的な後処理方法を開発し、それを AM プロセスと統合することで、コストを最小限に抑え、時間を節約できます。例えば、レーザー研磨と化学処理を組み合わせた複合技術を使用することで、表面特性を効果的に向上させることができます。製造プロセスでは、リアルタイムの監視とフィードバックメカニズムを使用して品質管理を実現できます。 PBF と DED を統合した複合システムを開発することで、部品の設計と製造の柔軟性が向上します。このようなシステムでは、複雑な機能に対しては PBF の精度を活用し、大型部品に対しては DED の高い堆積速度を活用できます。将来の研究では、AM プロセスの機能を拡大するために、これらのハイブリッドプロセスの開発に重点が置かれる可能性があります。要約すると、さまざまな AM プロセスの利点を組み合わせることで、AM 部品の効率と品質を向上させることができます。

関連論文リンク:

Hakami, A., Ojo, SA, Abere, DV 他「金属付加製造の進歩：機会、限界、特性への影響、および潜在的な解決策：レビュー」Prog Addit Manuf (2024)。https://doi.org/10.1007/s40964-024-00885-6

Sibisi, TH, Shongwe, MB, Tshabalala, LC et al. LAM 積層造形: 機械的特性、一般的な欠陥、主要な処理変数、およびその応用に関する基礎レビュー。Int J Adv Manuf Technol 128, 2847–2861 (2023). https://doi.org/10.1007/s00170-023-12139-w

Badoniya, P., Srivastava, M., Jain, PK et al. 金属積層造形に関する最新レビュー：マイルストーン、トレンド、課題、展望。J Braz. Soc. Mech. Sci. Eng. 46, 339 (2024). https://doi.org/10.1007/s40430-024-04917-8

Dasdemir, U.、Altas, E. (2024)。金属ベースの付加製造。Rajendrachari, S. (編) 付加製造技術の実用的実装。材料の地平線: 自然からナノ材料まで。Springer、シンガポール。https://doi.org/10.1007/978-981-99-5949-5_4

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