材料・構造・性能を統合したレーザー金属積層造形

材料・構造・性能を統合したレーザー金属積層造形
寄稿者: 張暁宇、李迪塵 寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

高性能金属部品は、特に航空、宇宙、自動車製造、エネルギー生産の分野における現代産業の基礎となっています。高性能金属部品の成形に対する厳しい要件は、材料の選択と製造の最適化を妨げます。レーザー積層造形は、技術革新と持続可能な産業発展のための重要な戦略技術であり、高性能金属部品の短サイクル、高精度、高性能製造に対する現代産業の主要な需要を満たすことができます。従来のレーザー金属積層造形ルートは、設計から製造まで典型的な「シリアルルート」に従うため、面倒な試行錯誤を招き、金属部品製造の高性能要件を達成することが困難になります。南京航空航天大学の顧東東教授らのチームは、「材料・構造・性能統合付加製造」(MSPI-AM)という総合的な概念を提唱した。このコンセプトは、達成する必要のある性能や機能に基づいて複数の材料、新しい構造、対応する印刷プロセスを「並行して」設計し、それらの相互互換性を重視することで、レーザー金属積層造形の既存の課題に対する体系的なソリューションを提供します。

図 1 材料・構造・性能統合付加製造 (MSPI-AM) の概念と意味合い 「材料・構造・性能統合付加製造」には、「適切な材料を適切な位置に印刷する」および「独自の構造を印刷して独自の機能を作成する」という 2 つの主要な特徴とその意味合いがあります。コンポーネントのミクロ構造とマクロ構造を印刷するための創造的なエンジニアリング手法が増え、積層造形によって複数の材料を使用したより複雑な構造を製造できるようになりました。空間的に変化する微細構造と特性(ナノ複合材料、インサイチュ複合材料、傾斜材料など)を備えたマルチマテリアルコンポーネントを設計および印刷することが可能であり、さらに電子機器と統合された機能構造の印刷が可能になります。これらの複雑な構造(全体的に位相的に最適化された構造、バイオニック構造、マルチスケール階層格子、細胞構造など)は、機械的特性と物理的/化学的機能において一定の進歩を達成しました。高性能と多機能性を積極的に実現するには、スケール全体(ナノ/マイクロからマクロまで)にわたる調整されたメカニズムが必要です。

図2 多機能一体型部品の材料・構造・性能統合レーザー積層造形:次世代宇宙探査着陸船の「アウトソール」部品を例にとると、「材料・構造・性能統合積層造形」は将来の生産プロセスでよりインテリジェントになり、インテリジェントな検出、センシングと監視、ビッグデータの統計と分析、機械学習とデジタルツインを統合します。さらに、高性能/多機能印刷はより複合的なアプローチを通じて実現され、より複雑な印刷はより汎用性の高い材料の選択と仮想製造と実際の生産のより包括的な統合によって導かれるでしょう。 「材料・構造・性能統合積層造形」は、積層造形技術の持続的発展に向けた重要な戦略となることが期待されています。

参考文献:
Gu, Dongdong & Shi, Xinyu & Poprawe, Reinhart & Bourell, David & Setchi, Rossi & Zhu, Jihong. (2021). 材料・構造・性能を統合したレーザー金属積層造形。サイエンス。372. eabg1487. 10.1126/science.abg1487.

構造、航空宇宙、着陸機

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