2020 Fiscal Year Annual Research Report
Quality assurance by systematized modeling of uncertainties and stochastic prediction of fatigue life for 3D printing
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20H02034
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
高野 直樹 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (10206782)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 確率的FEMシミュレーション / 不確かさ / 確率的疲労寿命予測 / 3D積層造形 / 歯科補綴物 / チタン合金 / ポリアミド / アルミ合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
数理モデルにおける不確かさを幾何的パラメータ（形状、寸法）、物理的パラメータ（材料特性）、荷重条件、境界条件、初期条件の5項目について考え、特に幾何的パラメータでは3D積層造形における造形不良のモデル化・パラメタリゼーションについて研究を深めた。疲労寿命の確率的予測の研究において、初期条件として微小な球状初期欠陥を想定することにより、片対数で表現される疲労寿命のばらつきを模式的に表現する手法を提案した。その数値解法としてはズーミング弾塑性FEM解析を用い、実用性も考えて、市販ソフトウェアCOMSOL Multiphysicsにて実現した。
物理的パラメータの数値解法として、ノイマン展開を用いて高次項の影響について基礎的検討を行い、一次展開近似の有効範囲や高次項適用のガイドラインを得ることができた。また、チタン合金の弾塑性材料特性のばらつきが疲労寿命に及ぼす影響を数値的に調査し、その影響は無視できる程度であるとの結果を得た。
歯科補綴物（クラスプ）に開発手法を適用し、疲労寿命のばらつきの予測を行った。別途、導入した微小ストローク疲労試験機を用いた実験も行ったところ、予測は寿命を短めに見積もっているが、破断部位は予測とほぼ一致しており、開発した解析手法を支持する結果を得た。別途、ポリアミド(PA2200)を用いた円孔を有するダンベル型引張試験片を作成し、円孔のゆがみ（造形不良）のモデリング・パラメタリゼーションと統計的計測から、積層角度との強い相関性を見出し、確率的数値予測が可能であること、また妥当性確認を行うことができた。アルミ合金でも同様の試験片を作成し、積層角度との相関性を同様に見出すことができた。
加えて、ミクロレベルの造形不良として、サポート内多孔質構造のマイクロCT撮像から、主構造の造形不良と残留金属の特徴を分析した。
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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
令和2年度の研究実施計画に記載した全項目について新規性ある良好な結果を得ることができた。研究実績の概要には記さなかった情報発信についても、研究室ホームページの更新、企業向けのオンライン無料セミナー「不確かさのモデリング法と確率的シミュレーション法の発展と応用」を2021年1月22日に研究分担者の松田と開催したほか、論文発表、学会講演会での発表を予定通り多数行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度交付申請書に記載した研究実施計画に沿って、純チタン製クラスプも研究項目に加えつつ、当初の予定通り研究を推進する。
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