2020 Fiscal Year Research-status Report
多色刷り金属付加製造による 相転移するラティス構造の創製 ー4Dプリントの開拓ー
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19K22063
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
小泉 雄一郎 大阪大学, 工学研究科, 教授 (10322174)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | Additive Manufacturing / 4Dプリント / 相転移 / 結晶構造 / 双安定性 / バイメタル / 形状記憶 / 超弾性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度に実施したTi-6Al-4V合金/Cuマルチマテリアル粉末床の境界部への電子ビーム照射による溶融・凝固で得られた照射痕の評価をさらに進めるとともに、最終目標であるバイメタル構造による４Ｄプリントのコンセプトを実証するための実験と有限要素法によるコンピュータシミュレーションを行った。材料押出式ならびに粉末床溶融結合式の樹脂用3Dプリンターにより、熱可塑性ポリウレタン製の曲がり梁を有する格子を作成し、相転移を発現する格子（Phase Transforming Cellular Material: PXCM）としての力学特性評価を行った。変形挙動と格子の形状パラメータとの関係を、要素構造の有限要素解析シミュレーションを、梁の太さ、長さ、角度をパラメータとして多数実行することで評価した。それらの格子の構造パラメータと力学特性との関係を機械学習を用いてモデル化し、所望の特性からそれを発現する格子構造を導くインバースデザインを実行した。加えて、複材金属3Dプリントの実現に先駆けて、Fe-Ni合金/Cu-Mn合金製バイメタル梁を組み込んだPXCMの実験モデルを作成した。バイメタルPXCMは、室温で圧縮変形によりスナップスルー（飛び移り座屈）による相転移を示し、温度上昇により形状回復する形状記憶挙動を発現した。さらに、バイメタルの裏表を逆転することで、室温での引張変形により相転移を示すとともに、温度上昇による形状回復、すなわち、負の熱膨張を示すことを実証した。さらに、それらのPXCMを液体窒素温度にまで冷却することによって、昇温で発生したのとは逆方向の相転移挙動を示すことも確認した。これらの結果により、複数材料の高精度な金属3Dプリントが可能となれば、形状記憶合金によらずに形状記憶特性を発現するメタマテリアルの創成が可能となることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2019年度までに異種金属の組合せた粉末床への電子ビーム照射実験を遂行した。具体的には、2種類の金属からなる粉末床を形成するために治具を作製し、異種金属粉末床の境界部に電子ビームを照射し、照射痕の形態、高さ、元素分布を評価した。これは当初の予定どおりである。但し、用いた金属については当初予定していた、Fe、Ni、Tiから、視覚的に区別し易い異種金属としてTiとCuの組み合わせでの実験を継続行った。これは予備実験により実験条件ごとに挙動が大きく異なることが判明したため、銀白色元素粉末での実験では、頻繁に広範な元素分析を行う必要が生じるためである。基板としてTi-6Al-4Vに加え、SUS304を用いた実験を行った。これにより粉末の元素と基板の元素の区別し易くした。また、考案した治具により16通りの条件での実験が1度の真空引きで行えるようにした。さらに高速度カメラを固定する治具を設計・作製し、ビーム照射時の粉末挙動の観察を行った。これにより、異種金属粉末床へのEB照射による溶融挙動に対する材料種の配置とＥＢ走査方向の影響を調査した。一方、樹脂3Dプリンタを用いた相転移する格子の製作やその力学特性評価で学術的に興味深い成果が得た。格子の幾何学的パラメータと相転移挙動との関係のデータも取得できた。想定以上の新たな知見も得られている。さらに、バイメタルを組み込んだ格子により形状記憶特性を発現させることにも成功した。また有限要素シミュレーションによる特性の予測と機械学習により特性から構造の導出の手法も確立していることから、研究全隊として概ね順調に進んでいると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
異種金属粉末を使った複材造形が可能な粉末床溶融結合（Powder Bed Fusion）型の付加製造（Additive Manufacturing：AM）装置の普及を想定して、異種金属を組み合わせた粉末床の特に異種金属境界部分への電子ビーム照射による溶融凝固挙動の研究を進めてきた。一方、AM装置の開発動向の変化は大きく、異種金属を組み合わせた造形が可能なAM装置として、(1) 指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition: DED）型の装置、(2) binderと混練した金属粉末を材料押出（Materials Extrusion: MEX）型のAM装置で造形した後にbinderを除去して焼結するタイプの金属造形装置、(3) 金属フィラメントを誘導加熱で昇温して樹脂のMEX型のAM装置のように金属を直接付加するタイプのAM装置、(4) 金属ナノ粒子を有機溶媒中に分散させたインクを吐出した後にナノ粒子同士が結合することを用いた材料噴射（Material Jetting: MJT）型のAM装置等が開発されている。これらはPBF型よりも複数金属を組み合わせた造形に適したAM装置となる可能性がある。このような状況を鑑み当初予定していたPBF型AM装置での複材造形だけでなくこれらの新方式の複材造形もさらに視野に入れて研究を進める。一方、造形プロセスとならび重要な本研究の根幹となるコンセプトである「相転移するラティス構造の創製」の実証に重心を移して研究を展開する。2020年度に作成したバイメタルを組み込んだＰＸＣＭは、昇温冷却による相転移を発現した。今後はさらに、バイメタルを組み込んだPXCMの特性を向上させる設計手法の開発を進めるとともに、複材樹脂３Ｄプリンターによるラティスの創製やバイマテリアルPXCMの作成と相転移挙動の設計と評価の研究も進める。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルス感染拡大のために、学会がオンライン開催となり出張のための費用を使用しなかったため、次年度の学会出張のための費用に充てることにした。また金属３Ｄプリント用フィラメント材料の調達が困難となった
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Research Products
(11 results)
