Elastic properties of metallic materials made by additive manufacturing

• Project/Area Number: 16H04236
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Research Field: Materials/Mechanics of materials
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Tarumi Ryuichi 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (30362643)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000); Fiscal Year 2018: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2017: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2016: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000)
• Keywords: 金属積層構造体 / ラティス構造 / 超音波共鳴法 / 有限要素法 / 弾性定数 / Micropolar弾性理論 / ひずみ勾配弾性理論 / サイズ効果 / 金属構造体 / 弾性特性 / 共鳴振動 / マイクロポーラー弾性理論 / 金属積層造形 / 連続体近似 / 共鳴周波数 / 弾性率 / 力学特性

Outline of Final Research Achievements

We developed a new experimental method which determines the elastic properties of three-dimensional metallic materials made by additive manufacturing (AM) technique. Our method is based on the resonant ultrasound spectroscopy (RUS) and finite element method (FEM). Three-dimensional lattice structures are prepared by selective laser melting for metallic powder. Ultrasound experiment is conducted using tripod-type RUS measurement system and which revealed that the resonance frequencies of the lattice structures can be measured with sufficient accuracy. We also conducted FEM calculation for inverse analysis of the resonance frequencies. Present analysis demonstrates that we can evaluate elastic properties of the lattice structures by combining the RUS experiment and FEM analysis. In addition to the experimental studies, we also conducted theoretical study based on Micropolar elasticity and strain gradient elasticity focusing on the size dependence of resonance frequency.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

AM技術を用いて作成された金属構造体は，テーラーメード医療材料や宇宙・航空機材料など，高付加価値を持つ高比強度材料としての応用が期待されているが，その実用化を進めるためには弾性特性の直接評価が不可欠である．本研究で新たに開発した計測システムを用いれば，原理的には任意の外形・内部構造を持つ金属構造体の弾性特性評価に応用できるという特徴を持っている．また，本研究で解析を進めた二つの弾性理論（Micropolar弾性理論とひずみ勾配弾性理論）は，ラティス構造を持つ金属構造体の力学特性解析に適しており，将来的には理論基盤としての応用が期待される．

Research Products

• [Journal Article] 古典弾性理論における二つの近似とその弊害～固体の共鳴振動解析を通して～ (2017)
  • Author(s): 垂水竜一
  • Journal Title: 計算数理工学レビュー Volume: 2017年-1号 Pages: 1-9
  • NAID: 40021333951
• [Presentation] 編み紙の数理～材料の伸びを考慮した曲面設計最適化～ (2018)
  • Author(s): 堀川由人，垂水竜一
  • Organizer: 日本応用数理学会2018年度年会
• [Presentation] 超音波共鳴法による格子状金属積層構造体の弾性率の推定 (2018)
  • Author(s): 垂水竜一，小林舜典
  • Organizer: 日本鉄鋼協会 第176回秋季講演大会
• [Presentation] Nonlinear elasticity on Riemannian manifold and its application to general surface development (2018)
  • Author(s): Yuto Horikawa, Ryuichi Tarumi and Yoji Shibutani
  • Organizer: The 9th International Conference on Multiscale Materials Modeling
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アイソジオメトリック解析を用いた曲面展開論 (2018)
  • Author(s): 堀川由人，垂水竜一
  • Organizer: 日本機械学会第31回計算力学講演会
• [Presentation] 二次元テトラカイラル系構造体の曲げ変形特性に現れるサイズ効果 (2018)
  • Author(s): 矢田聖，垂水竜一，渋谷陽二
  • Organizer: 関西学生会2017年度学生員卒業研究発表講演会
• [Presentation] 有限要素法による二次元カイラル構造体の共鳴振動解析 (2017)
  • Author(s): 金 政敏，垂水 竜一，渋谷 陽二
  • Organizer: 関西支部第92期定時総会講演会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2017-03-13
• [Presentation] 二次元カイラル系構造体の連続体近似とそのマルチスケール解析 (2017)
  • Author(s): 垂水竜一，野瀬勇斗，渋谷陽二
  • Organizer: 計算工学講演会
• [Presentation] 二次元周期構造体の曲げ変形特性に現れるサイズ効果の解析 (2017)
  • Author(s): 木村雄大，垂水竜一，渋谷陽二
  • Organizer: 計算力学講演会
• [Presentation] 二次元周期構造体の基準振動モードとサイズ効果 (2017)
  • Author(s): 木村雄大，垂水竜一，渋谷陽二
  • Organizer: 日本物理学会秋季大会
• [Presentation] 古典弾性理論における二つの近似とその弊害～固体の共鳴振動解析を通して～ (2017)
  • Author(s): 垂水竜一
  • Organizer: 第32回 計算数理工学フォーラム
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Invited
• [Presentation] 二次元カイラル金属構造体の共鳴振動特性解析 (2016)
  • Author(s): 垂水竜一，金政敏，渋谷陽二
  • Organizer: 日本金属学会秋期大会
  • Place of Presentation: 大阪大学
  • Year and Date: 2016-09-21