超音波温度モニタリングに基づくレーザ積層造形材の組織形成の解明と制御

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K15317
• Research Institution: National Institute for Materials Science
• Principal Investigator: 草野 正大 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究拠点, 研究員 (60822583)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 積層造形法 / モニタリング / 超音波

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題では，金属材料の積層造形プロセス（Additive manufacturing，3D printing）にいて，原料粉末（もしくはワイヤ）の溶融・凝固および相変態によって微細組織がどのように形成されるかを解明するため，用いた造形プロセス中の材料内部の温度を超音波でモニタリングすることを試みる．
本年度は，積層造形プロセス中の材料における超音波伝搬を有限要素法によってシミュレーションした結果に基づいて，実際の積層造形装置にて超音波計測を実施した．超音波伝播シミュレーションは，マクロな温度場の有限要素解析と連成することで，材料音速の温度依存性を考慮したより正確な超音波伝播解析結果が得られた．これにより，積層造形プロセス中の材料の積層にともなう超音波伝搬経路の変化，そして，材料温度が周期的に上昇・下降することによる超音波伝播時間の変化が予測された．
この結果に基づいて実際の積層造形装置にて超音波計測を実施すると，計測波形からシミュレーションの結果とよく一致する，造形プロセスの進行に伴うパルス波の変化が観察された．つまり，材料の積層プロセスと熱源照射による温度サイクルを超音波でモニタリングすることが可能であることが示された．
また，積層造形で作製したサンプルの観察結果から，プロセス中の材料温度が金属組織および力学特性に顕著に影響することが明らかとなった．このことから，プロセス中の温度場を超音波でモニタリングする手法は，金属組織や力学特性を制御する上で有効な手法のひとつと考えられる．
今後は超音波モニタリングで得られた波形データから，積層造形プロセス中の温度場を推定し，超音波による積層造形プロセスのモニタリング手法を確立する．

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定通りに，実際の積層造形装置にて超音波計測を実施し，有意な結果を得ることができたため，概ね順調であると言える．

Strategy for Future Research Activity

超音波モニタリングで得られた結果から，積層造形プロセス中の温度場を推定し，計測手法を確立する．また，プロセス中の材料温度と金属組織との相関を明らかにする．

Causes of Carryover

予定していた国際会議，国内会議が延期・中止，オンライン開催となったため．