レーザー積層造形における残留応力を予測する予測モデルは航空機や自動車の修理に役立つ可能性がある

出典：江蘇レーザー連合

レーザー材料堆積に基づく高価値部品の修理は、再製造分野における革新的な技術です。インド工科大学ボンベイ校とオーストラリアのモナシュ大学間の共同博士課程トレーニングプログラムの支援を受けている博士課程の学生、サンタヌ・ポール氏は、残留応力を予測するための新しい完全に結合した冶金、熱、機械（金属熱機械）モデルを開発し、堆積層に圧縮残留応力を確実に与える臨界堆積高さを決定しました。

持続可能な産業成長を維持しながら、気候に敏感な要素に関して地球システムの安定性を確保するには、地球規模の産業生態系の変革が不可欠です。このような移行のために、製造資本インフラを工業製品の修理と再製造に再編成することで、人間による環境への影響が軽減され、経済成長が促進されるでしょう。この点において、航空宇宙産業と自動車産業におけるメンテナンス、修理、オーバーホール（MRO）の重要性は、これらの産業が国民経済の他の部門に大きな影響を与える可能性があるという事実から理解できます。控えめな見積もりでも、自動車衝突修理業界と航空機MRO市場は2024年までに18％成長すると予想されています（データソース：世界の航空機MRO市場（2017～2022年））。自動車および航空宇宙部門の持続可能性への取り組みの中心となるのは、レーザー付加製造などのエネルギー効率の高い指向性エネルギー堆積 (DED) プロセスを使用して、金型、エンジン部品、重要な構造部品の耐用年数を延ばすことです。レーザー付加製造は、不正確で一時的な性質を持つ、溶射や溶接に基づく従来の修復技術に比べて多くの利点があります。これらのプロセスにおける精密かつ制御された堆積により、希釈ゾーンと熱影響ゾーンが比較的狭くなります。ただし、残留応力（処理後の応力が固定された状態）が発生します。残留応力の性質（圧縮または引張）は、機械加工された部品の完全性と品質に影響を与える最も重要な要因であり、耐用年数に直接影響することに注意してください。残留応力は、熱機械的効果と冶金的変化によって引き起こされる歪みによって発生します。高温の溶融材料を比較的低温の基板上に堆積し、その後伝導駆動による冷却を行うと、堆積層と基板層の間に熱膨張と収縮の差が生じます。熱機械的ひずみは、温度分布、熱膨張係数、および被覆材と基板材料の弾塑性挙動に依存します。さらに、高い冷却速度は冶金変態を引き起こし、変態誘起塑性と体積膨張によるさらなる歪みに寄与します。堆積層は通常、引張残留応力が亀裂の伝播を促進する最も重要な領域であることに注意してください。現在、レーザー積層造形が直面している最大の課題の 1 つは、クラッド内の圧縮残留応力 (クラッド表面からクラッドと基板の界面領域まで) を確保するための重要な堆積高さを決定することです。

この研究では、研究者らは、3D 完全結合金属熱機械有限要素モデルを使用して、基板上のレーザー蒸着層を通る残留応力の分布を調査しました。この解析では、均一な強度の移動熱源を伴う粉末のガウス分布が考慮されました。モデルを実験的に検証するために、高バナジウム含有量のるつぼ粒子冶金 (CPM) 鋼粉末を使用して H13 工具鋼でレーザークラッディング (堆積) 実験を実施しました。 H13 ナイフ鋼の金型が CPM9V で修復されることはよく知られています。研究者らは、モデルによって予測された残留応力を、インド工科大学ボンベイ校で行われたマイクロフォーカスX線回折（マイクロスケールの局所残留応力測定）とオーストラリア原子力科学技術機構で行われた中性子回折（体積平均残留応力の決定）の結果と比較した。
図 1. 中性子および X 線回折測定を使用した有限要素モデルによって予測された残留応力の比較。レーザー被覆部品の体積平均残留応力は、オーストラリア原子力科学技術機構 (ANSTO) の Kowari 残留応力回折計で中性子回折を使用して測定されました。測定には中性子波長1.68ÅのFe-211反射を使用しました。縦方向の測定に使用される体積は、ほぼ 2mm×2mm×3mm に固定されます。中性子回折測定体積の制限により、被覆管領域における巨視的残留応力の測定が制限されます。したがって、局所的なマイクロレベルの残留応力は、スポットサイズ 300 μm の Bruker D8 Discovery X 線回折計を使用して測定されました。中性子およびマイクロフォーカス X 線回折測定の詳細は図 1 に示されています。

▲図2. (a). 堆積の臨界高さを決定する方法。 (b) 希釈と節点温度の変化。 (c) 堆積の臨界高さを特定するために、異なるブランケット高さを比較します。 (d). 異なるクラッド高さにおける界面凝固と残留応力本論文で提案したモデルから臨界高さを得るために、粉末供給速度5g/分、ノズル径、スポットサイズ3mmで試験高さを600μmから690μmに増加させた（図2(c)参照）。堆積高さ 600 μm で完全溶融するためのレーザー出力は 1500 W でしたが、堆積高さ 690 μm の場合はレーザー出力は 2250 W でした。

質量保存則により、テストブランケットの高さごとにスキャン速度が変化することに注意してください。中間層の大部分は圧縮残留応力を受けていますが、キャップされた基板の界面は、600 μm と 630 μm の両方の堆積高さで引張応力を受けています。しかし、クラッドの高さが 660 μm に増加すると、界面の残留応力も圧縮になります。クラッドの高さがさらに 690 μm に増加すると、界面の残留応力は、大きさは大きくなりますが、圧縮のままになります。マトリックス内の希釈度が高くなると、融解深度が大幅に増加し、それが有害であることがわかります。したがって、臨界堆積高さは 660 μm (レーザー出力 1800 W、対応するスキャン速度 354 mm/s) と特定されており、クラッド高さがこれより低かったり高かったりすると、堆積条件が不利になります。

この研究では、研究者らは完全に結合した金属熱機械モデルを使用して、レーザークラッド試験片の断面全体にわたる残留応力の変化を予測し、臨界堆積高さの存在を実証しました。臨界高さを下回る堆積高さでは、界面に有害な引張残留応力が生じ、臨界堆積高さを上回ると、望ましくない過剰な希釈が生じます。また、堆積の臨界高さでは凝固速度が最小になることも判明しました。この研究では、修復された試験片の断面における最終的な残留応力の変化に対する冶金変態によるひずみの重要性も強調されています。この研究では、積層造形における最も重要な問題の 1 つ、つまり堆積層と界面に圧縮残留応力を生成できる臨界堆積高さの存在について取り上げます。

この研究は、積層造形技術を使用して製造される部品の品質を向上させるための「科学的に裏付けられた技術的ソリューション」の基礎を形成する可能性があります。この堆積高さで修復を行うと、修復部品の耐用年数が向上することがわかります。これにより、エネルギー効率の高いレーザー積層造形による持続可能な回復への道が開かれ、産業生産のための全体的な材料サイクルが最適化される可能性があります。
▲図3. Kowari株スキャナーの近くに立つアンナ・パラドフスカ博士とマーク・リード氏。画像提供: オーストラリア原子力科学技術機構 (ANSTO)
出典: Santanu Paul 他「レーザー積層造形による持続可能な修復のための臨界堆積高さ」、Scientific Reports (2018)。DOI: 10.1038/s41598-018-32842-z

レーザー積層造形における残留応力を予測する予測モデルは航空機や自動車の修理に役立つ可能性がある

蘇州北峰は、最小壁厚0.1mmの純粋な「タングステン」散乱防止グリッドの3Dプリントに成功しました。

世界中のセラミック3Dプリンター！

歴史の継承と再生：3Dプリントが文化遺産の展示に新たな方法をもたらす

Obbec の 3D ビジョンテクノロジーのサポートにより、Chuangxiang 3D の新しい主力 3D プリント製品の強みは何ですか?

新しい方法により光応答性ハイドロゲル構造の3Dプリントが可能に

世界初の完全3Dプリントロケットが打ち上げられる予定で、米国の宇宙企業Relativity Spaceが

GE、3D Systems、HP、EOS、Materialiseは、3月30日に開催されるSIMM Additive Manufacturing Summitへの参加を招待します。

北京理工大学：CTスキャンに基づくSLM三次元凹面格子構造の機械的特性の特性評価

CCTV Finance：3Dプリント肉が商業利用され、脂肪と赤身の比率を設定できるようになる

Structur3Dはハチミツチーズを使った食品3Dプリントの実験を行っている

推薦する

オークリッジ：マルチセンサー融合と機械学習に基づく積層造形部品の非破壊評価

外注から自主検査まで、仙林天元は造船会社の製品サイズ品質検査能力の向上を支援します。

中山病院は希少疾患の治療手術を支援するために3Dプリント技術を活用

南極熊は熊好きの皆さんにドラゴンボート祭りの幸せを祈っています

3Dプリントされた筋肉組織が筋肉の欠損を修復

3Dプリントされた胃食道トレーニングモデル、ダヴィンチロボット手術トレーニングはこれに依存する

科学者たちは新しい方法を使ってセラミックの3Dプリントのコストを95%削減することに成功した

Chuangxiang 3DはドイツのFormnext 2024に出展し、多くの新製品が展示会の焦点となりました。

欧州、衛星部品の積層造形技術を開発

Aibuild が大型 3D プリント用の新ソフトウェア Aibuild 2.0 をリリース

サムスンとサイアムセメントの子会社が建設3Dプリント材料に関する覚書を締結

UnionTechの2016年の収益は1億6,300万人民元で、産業用3Dプリンターを300台以上販売した。

住宅用3Dプリンターがタイム誌の2018年最高の発明品の一つに選出

米軍の新装備：ロケットエンジンを搭載した3Dプリント無人飛行船、最高時速988キロメートル

HP MJF 3Dプリンター、中国での設置台数が100台を超える