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Quality assurance by systematized modeling of uncertainties and stochastic prediction of fatigue life for 3D printing

Research Project

Project/Area Number 20H02034
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 18010:Mechanics of materials and materials-related
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

Takano Naoki  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10206782)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 植松 美彦  岐阜大学, 工学部, 教授 (80273580)
松田 哲也  筑波大学, システム情報系, 准教授 (90345926)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2020: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
Keywords確率的シミュレーション / 不確かさのモデリング / 金属3D積層造形 / 確率的疲労寿命予測 / ばらつき / 歯科補綴物 / ヒートシンク / 幾何的精度 / 確率的FEMシミュレーション / 不確かさ / 3D積層造形 / チタン合金 / 純チタン / 造形不良 / 初期欠陥 / ポリアミド / アルミ合金 / 確率的FEMシミュレーション
Outline of Research at the Start

工学全般に活用される有限要素法(FEM)シミュレーションにおいて、不確かさ(uncertainty)を考慮した確率的FEMシミュレーションへの期待が高まり、一次展開近似型確率均質化法の複合材料への適用の研究成果が出ている中、非線形解析への拡張が求められる。本研究では金属3D積層造形品の品質保証のためのバーチャルテストとして利用可能な確率的疲労寿命予測手法の開発を行う。不確かさの数理的表現による普遍性ある系統的モデリング法にはじまり、事後確率による要因分析までを研究項目とし、チタン合金(Ti-6Al-4V)製の歯科補綴物(パーシャルデンチャー)を主たる対象として確率的FEMの確立をはかる。

Outline of Final Research Achievements

For the systematic uncertainty modeling based on the governing equation, a methodology of parameterization and sampling for the physical and geometrical parameters and the boundary conditions was established. The design method considering the knowledge of manufacturability and assemblability acquired by past experiences that is unique to metal additive manufacturing was discussed. First, a prediction method of fatigue life considering its variability for titanium prosthetic clasps has been developed to be used in the design phase before manufacturing by the finite element analysis using CAD data. Furthermore, the geometrical accuracy of circular holes for assembly by mechanical joint, support-less additive manufacturing of circular holes with peripheral support, evaluation of properties of porous support with 2D lattice microarchitecture and the design of copper alloy heat sink were studied.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

金属3D積層造形は新しい製造法として注目されているが、造形品の性能のばらつきや幾何的精度の問題があり、多くのノウハウを必要とするため、設計段階での品質保証が難しいという問題があった。3D積層造形に特有の不確かさを、支配方程式の物理的パラメータ、幾何的パラメータ、境界条件の観点から系統的にモデリングすることにより、造形前にばらつきを考慮したバーチャルテストを実現した。特にモデリングが難しい幾何的パラメータと境界条件の不確かさのパラメタリゼーションとサンプリング法を具体的に提示した。造形可能性と組立性を考慮した設計手法は、金属3D積層造形の発展と、熟練技術の伝承にも貢献するものである。

Report

(5 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (60 results)

All 2024 2023 2022 2021 2020 Other

All Journal Article (11 results) (of which Peer Reviewed: 9 results,  Open Access: 8 results) Presentation (46 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results,  Invited: 5 results) Remarks (3 results)

  • [Journal Article] Apparent properties of porous support structure with imperfections in metal additive manufacturing2024

    • Author(s)
      Takumi Oshima, Naoki Takano
    • Journal Title

      Additive Manufacturing

      Volume: 84 Pages: 104090-104090

    • DOI

      10.1016/j.addma.2024.104090

    • Related Report
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  • [Journal Article] Correlation between Geometrical Accuracy and Building Angle of 3D Printed Flat Plate with Circular Hole of Aluminum Alloy and Polyamide2023

    • Author(s)
      田中春満, 高野直樹, 瀧澤英男
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 72 Issue: 5 Pages: 384-391

    • DOI

      10.2472/jsms.72.384

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2023-05-15
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  • [Journal Article] Comparison of the fatigue life of pure titanium and titanium alloy clasps manufactured by laser powder bed fusion and its prediction before manufacturing2023

    • Author(s)
      Odaka Kento、Kamiyama Shota、Takizawa Hideo、Takano Naoki、Matsunaga Satoru
    • Journal Title

      Journal of Prosthodontic Research

      Volume: 67 Issue: 4 Pages: 626-632

    • DOI

      10.2186/jpr.JPR_D_22_00207

    • ISSN
      1883-1958, 1883-9207
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      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Fatigue life prediction considering variability for additively manufactured pure titanium clasps2023

    • Author(s)
      Odaka Kento、Kamiyama Shota、Takano Naoki、Uematsu Yoshihiko、Matsunaga Satoru
    • Journal Title

      Journal of Prosthodontic Research

      Volume: 68 Issue: 2 Pages: 336-346

    • DOI

      10.2186/jpr.JPR_D_23_00074

    • ISSN
      1883-1958, 1883-9207
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  • [Journal Article] 3D 積層造形前のバーチャルテスト:品質保証と技術伝承のための知識融合型CAE への期待2023

    • Author(s)
      高野直樹
    • Journal Title

      日本機械学会計算力学部門ニュースレター

      Volume: 70 Pages: 23-27

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    • Author(s)
      ODAKA Kento、TAKANO Naoki、TAKIZAWA Hideo、MATSUNAGA Satoru
    • Journal Title

      Dental Materials Journal

      Volume: 41 Issue: 2 Pages: 286-294

    • DOI

      10.4012/dmj.2021-174

    • ISSN
      0287-4547, 1881-1361
    • Year and Date
      2022-03-25
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    • Author(s)
      Mizuki Maruno and Naoki Takano
    • Journal Title

      Mechanical Engineering Journal

      Volume: 8 Issue: 6 Pages: 21-00288-21-00288

    • DOI

      10.1299/mej.21-00288

    • NAID

      130008129698

    • ISSN
      2187-9745
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    • Author(s)
      Yoshihiko Uematsu, Toshifumi Kakiuchi, Yaodong Han and Masaki Nakajima
    • Journal Title

      Metals

      Volume: 11 Issue: 6 Pages: 1-13

    • DOI

      10.3390/met11060964

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    • Author(s)
      Matsuda Tetsuya、Yamauchi Kazuma、Semba Nozomi、Ohno Nobutada
    • Journal Title

      Continuum Mechanics and Thermodynamics

      Volume: - Issue: 4 Pages: 1637-1657

    • DOI

      10.1007/s00161-021-00988-3

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    • Author(s)
      DEGENEVE Lucas、TAKANO Naoki
    • Journal Title

      Mechanical Engineering Letters

      Volume: 6 Issue: 0 Pages: 20-00228-20-00228

    • DOI

      10.1299/mel.20-00228

    • NAID

      130007921950

    • ISSN
      2189-5236
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      2020 Annual Research Report
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  • [Journal Article] 加工・造形不良と不確かさを考慮したモデリングと品質保証2020

    • Author(s)
      高野直樹
    • Journal Title

      機械の研究

      Volume: 72 Pages: 761-767

    • NAID

      40022366329

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  • [Presentation] 純チタン3D積層造形による歯科クラスプの疲労寿命のばらつきを考慮した予測手法2023

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      高野直樹, 神山祥大, 植松美彦, 小高研人, 松永智
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      大嶋拓実, 高野直樹, 小高研人, 松永智
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      植松美彦
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      大嶋拓実, 高野直樹, 小高研人, 松永智
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      高野直樹
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      菅野幹也, 高野直樹, 小高研人, 松永智
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      高野直樹, 大嶋拓実
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      高野直樹
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      神山祥大, 永見凌, 高野直樹, 瀧澤英男, 小高研人, 松永智
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      日本計算工学会第25回計算工学講演会
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  • [Presentation] 鋼材成分のばらつきを考慮した焼入れプロセスの相変態-熱伝導シミュレーション2020

    • Author(s)
      高野直樹, 古川達也, 杉本剛, 木島秀弥, 田村茂之
    • Organizer
      日本計算工学会第25回計算工学講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] PA2200のPBF方式積層造形品の造形不良を考慮した力学的特性予測2020

    • Author(s)
      丸野瑞希, 高野直樹
    • Organizer
      日本計算工学会第25回計算工学講演会
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      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Compression-compression fatigue test of lattice-structured Ti-6Al-4V additively manufactured by EBM2020

    • Author(s)
      Takateru Ohta, Toshifumi Kakiuchi, Masahiro Hojo, Koji Fujimoto, Yoshihiko Uematsu
    • Organizer
      Asian Pacific Conference on Fracture and Strength 2020 (APCFS 2020)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3D積層造形品のばらつきを考慮した有限要素解析と疲労寿命予測2020

    • Author(s)
      佐藤章平, 高野直樹
    • Organizer
      日本機械学会計算力学部門CMD2020計力スクウェア研究報告集
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  • [Presentation] 音響構造連成解析において確率密度関数で与えられた音源の音圧に対する遮音特性予測2020

    • Author(s)
      北野朝陽, 高野直樹
    • Organizer
      日本機械学会計算力学部門CMD2020計力スクウェア研究報告集
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  • [Presentation] 金属3D積層造形におけるサポート内多孔質構造と残留金属のマイクロCTイメージベース解析2020

    • Author(s)
      森川正崇, 高野直樹
    • Organizer
      日本機械学会計算力学部門CMD2020計力スクウェア研究報告集
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  • [Presentation] PA2200のPBF方式積層造形品の造形不良を考慮した力学的特性予測2020

    • Author(s)
      丸野瑞季, 高野直樹
    • Organizer
      日本機械学会計算力学部門CMD2020計力スクウェア研究報告集
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  • [Remarks] 高野研究室へようこそ JSPS KAKENHI Project

    • URL

      http://www.takano-lab.jp/project.html

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      http://www.takano-lab.jp/project.html

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      http://www.takano-lab.jp/project.html

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Published: 2020-04-28   Modified: 2025-01-30  

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