金属積層造形の各種造形割れ評価法と割れ制御造形条件の確立

• Project/Area Number: 22K03853
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 18020:Manufacturing and production engineering-related
• Research Institution: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Institute
• Principal Investigator: 千葉 浩行 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 研究開発本部物理応用技術部機械技術グループ, 主任研究員 (30757373)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: 金属積層造形 / Additive Manufacturing / 割れ / crack / 凝固割れ / 熱間割れ / 造形割れ

Outline of Research at the Start

金属積層造形において、しばし造形割れが発生している報告がなされている。しかし、造形割れは様々あるが、その分類や現象把握および支配因子について、系統的研究は行われておらず、従来の製造プロセスでの割れ発生に対する知見から割れ発生現象を予測しているにとどまっている。そのため、金属積層造形における各種割れの支配因子は把握できていない。
そこで本研究では、造形時の熱応力、ひずみを測定し、かつ能動的に造形中の応力状態を変更可能な造形割れ評価装置を開発する。これにより、各種造形割れの発生メカニズムの解明と金属積層造形特有の割れの支配因子の有無を明らかにし、造形割れ耐性の高い造形方法を確立することを目指す。

Outline of Annual Research Achievements

金属積層造形において、しばし造形割れが発生している報告がなされている。割れは、内部欠陥の中でも機械的性質を著しく低下させる欠陥の一つであり、発生抑制対策が重要である。しかし、造形割れは様々あるが、その分類や現象把握および支配因子について、系統的研究は行われておらず、従来の製造プロセスでの割れ発生に対する知見から割れ発生現象を予測しているにとどまっている。そのため、金属積層造形における各種割れの支配因子は把握できておらず、造形割れに有効な対策が行われていない。そこで本研究では、造形時の熱応力、ひずみを測定し、かつ能動的に造形中の応力状態を変更可能な造形割れ評価装置を開発し、各種造形割れの発生メカニズムの解明と金属積層造形特有の割れの支配因子の有無を明らかにすると共に、造形割れ耐性の高い造形方法を確立することを目指す。1年目では、造形時の熱応力、ひずみを測定し、かつ能動的に造形中の応力状態を変更可能な造形割れ評価装置開発を行った。装置開発のテストでは、造形のためのレーザー照射時に無負荷あるいは引張荷重を付与した状態にて検証を行った。その結果、造形時に発生する応力緩和や発生ひずみについて、測定が可能となった。また、造形時レーザー照射による自発光を用いた温度計測の実施し、温度データも取得した。また、これらの値がレーザー条件により変化することも示唆された。さらに、高速度カメラの映像から、レーザー条件により、割れ発生タイミングや割れが発生する位置に違いも見られた。これらについての原因については、2年目以降にデータの取得と共に解析を実施していく。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究1年目では、造形時の熱応力、ひずみを測定し、かつ能動的に造形中の応力状態を変更可能な造形割れ評価装置開発を行った。装置開発のテストでは、造形のためのレーザー照射時に無負荷あるいは引張荷重を付与した状態にて検証を行った。その結果、造形時に発生する応力緩和や発生ひずみについて、測定が可能となった。また、造形時レーザー照射による自発光を用いた温度計測の実施し、温度データも取得した。また、これらの値がレーザー条件により変化することも示唆された。さらに、高速度カメラの映像から、レーザー条件により、割れ発生タイミングや割れが発生する位置に違いも見られた。これらについての原因については、2年目以降にデータの取得と共に解析を実施していく。現在、申請当初の1年目の計画通り、概ね進捗している。ただし、装置の調整が必要な部分もあり、その調整やさらなる測定データの妥当性は2年目の実行項目と並行して確認していく。

Strategy for Future Research Activity

現在実施している造形時の熱応力、ひずみの取得の精度向上を2年目も引き続き実施していく。特に、圧縮状態や固相線温度以下での装置検証を進める予定である。また、2年目からは17-4PHステンレス鋼やSUS630のステンレス鋼を主に用いて、造形物に内在する応力状態や造形条件による造形時の熱応力やひずみの変化とそれによる造形割れへの影響も検証していく。これらの結果から、3年目に向けた造形割れメカニズムや支配因子についての考察も一部実施し始める。