2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of direct deposition for porous structure based on molten-metal dynamics analysis with particle method
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17K14574
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
小池 綾 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (70781417)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 指向性エネルギー堆積法 / ポーラス金属 / 付加加工 / 粒子法 / シミュレーション / 発泡助剤 / ステンレス / 水素化チタン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年，金属材料に対応可能な3Dプリンタが産業用途に使われ始めている．その一方式である指向性エネルギ堆積法は，母材上にレーザで局所加熱して形成したメルトプールに粉末材料などを加えることで造形を繰り返すプロセスである．特に粉末材料を用いた場合，複数種類の材料を混合しながら積層できる点で，複合材料製品の作製法として注目を集めている．一方で指向性エネルギ堆積法は加工精度が低く，その他の3Dプリンタの方式と異なり，ラティス構造などの軽量複雑構造物の造形には不向きである．
本研究はこの問題に対する新技術として，指向性エネルギ堆積法において多孔質構造のポーラス金属材料を造形する手法を提案・評価するものである．具体的には指向性エネルギ堆積法の材料粉末に水素化チタンを混合し，メルトプールを発泡させることで内部に多くのセルを持った低密度構造の造形を試みる．また提案手法を数値的に解析するために，二相混相流シミュレーションを用いて，より低密度の多孔質構造を生成するための造形条件を明らかにすることを目指した．
本研究は２カ年の遂行期間で，溶融ステンレス鋼を発泡させる上で水素化チタンは非常に有効であり，メルトプール内で発生した水素を内部に留めるためにはテルルなどの表面活性剤の混合が効果的であることを明らかにした．現在までに得られた実験結果から，最大で61%の空孔率を持つポーラスステンレス材を作製できており，溶融時の粘性が高い鉄系合金に対して画期的な低密度化に成功したといえる．一方で，一層当たりの積層高さよりもサイズが大きいセルが複数見られることもわかっており，この現象が混相流シミュレーションにおいて再現できず，理論解析は未だ難航している．
本研究は金属3Dプリンタの新たな応用法として，工作機械見本市でポスター賞を受賞，国内学会で優秀発表賞を受賞するなど，すでに高い評価を受けている．
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