金属積層造形での凝固割れ評価装置の開発と割れ防止造形条件の確立

• 研究課題/領域番号: 19K14869
• 研究種目: 若手研究
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 小区分18020:加工学および生産工学関連
• 研究機関: 地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター
• 研究代表者: 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, 事業化支援本部技術開発支援部製品化技術グループ, 副主任研究員 (30757373)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2020年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円); 2019年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
• キーワード: Additive Manufacturing / 金属積層造形 / 凝固割れ / 熱間割れ / solidification cracking

研究開始時の研究の概要

金属積層造形は溶融・凝固プロセスであるため、凝固過程中に凝固収縮と応力集中で凝固割れがしばしば発生する。凝固割れは、機械的性質を著しく低下させるため、金属積層造形を活用した高付加価値製品開発や金属積層造形の発展、普及の妨げとなる。鋳造や溶接では、多数の凝固割れに対する研究が実施されているが、金属積層造形における凝固割れに関する研究は皆無である。本研究では、金属積層造形中のひずみや応力と凝固割れ発生の相関関係を解明するため、固液共存温度域での力学特性取得装置を開発する。開発装置を使用して、金属積層造形特有の凝固割れ支配因子を明らかにし、凝固割れ耐性の高い造形方法の確立を目指す。

研究成果の概要

金属積層造形最中のレーザー照射によって溶融した金属粉末が凝固する際に発生する凝固割れの発生し易さを評価するための評価装置を開発した。本評価装置を用いることで、凝固割れ発生時の応力およびひずみを取得することができた。また、任意の造形条件で造形する際の凝固割れ発生し易さの評価をした。さらに、本検証時に凝固割れ以外の様々な造形割れの発生を確認した。本研究により、造形品質と造形割れ発生防止が両立する造形条件を見出した。

研究成果の学術的意義や社会的意義

金属積層造形の分野において、造形現象を捉える上で、造形中の温度や変形、応力を定量的に評価することは重要である。しかし、金属積層造形で割れが発生する際の亀裂周辺の応力やひずみを測定した例はなく、開発した装置での造形割れ発生時の応力やひずみ取得手法は学術的意義が高い。また、金属積層造形での凝固割れを防止することで、今まで造形時に凝固割れが発生するため使用できなかった粉末材料が使用できるなり、より高付加価値な製品を創出できるようになる。よって、社会的意義も高いと考える。