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Study on mechanical properties of 3D-printed metal components - Effect of scan parameters on microstructure and mechanical properties of metal components processed by selective laser melting -

西来路 正彦 横浜国立大学 DOI:info:doi/10.18880/00013472

2020.11.19

概要

金属3Dプリントは、設計自由度が高く、複雑な3次元形状をもつ部品を低コストで加工できることから、その活用が広がっている。ただし、新しい工法であるため、レーザースキャンパラメータなどの製造条件が機械特性に及ぼす影響は未だ解明されていないことも多く、金属3Dプリント部品の機械特性を向上するための基礎研究が盛んに行われている。例えば、金属3Dプリントの特性を活かした設計の一つとして、従来工法では作製が困難なラティス構造が作製され、軽量な機械部品への適用が拡大している。しかし、ラティス構造において、スキャンパラメータの一つの要素であるスキャンストラテジーが機械特性にどのように影響するかは解明されていない。また、金属3Dプリントに適用できる材料の種類が少ないことも金属3Dプリントの普及を制限している大きな要因の1つである。現在、アルミニウム合金やチタン合金を用いた3Dプリントは活用が進みつつあるが、一方でフェライト系ステンレスは、他の工法では広く利用されている材料であるにもかかわらず、金属3Dプリントへの適用はこれまで試みられたことがなく、金属3Dプリントの活用範囲の拡大が制限されている。

 そこで本研究では、金属3Dプリントの活用範囲を拡大させることを目的として、ラティス構造の機械的特性に対するスキャンストラテジーの影響を評価し、適切なスキャンストラテジーを提案した。さらに、金属3Dプリントによるフェライト系ステンレスの高密度な部品を造形可能なスキャンパラメータを検証し、フェライト系ステンレスの金属3Dプリント部品の機械的特性が熱処理によりどのように変化するかを明らかにした。

 まず、アルミニウム合金粉末を用いて、異なる3種類のスキャンストラテジーによって造形したラティス構造の圧縮特性を調査することで、スキャンストラテジーの圧縮特性への影響を検証し、スキャンストラテジーにより圧縮特性が変化すること、同心円状のスキャンでは、外側から内側にスキャンする方が、高い圧縮特性となること、一層ごとにスキャン方向が変化するラスタースキャンは同心円状のスキャンより低い圧縮特性となることを明らかにし、その原因が組織と幾何学的精度の違いによることを示した。さらに、圧縮強度を高めるのに適したスキャンストラテジーとして、外側から内側に向かう同心円状のスキャンと、一層ごとにスキャン方向が変化するラスタースキャンを組み合わせたスキャンストラテジーを提案した。

 次に、金属3Dプリントにより高密度なフェライト系ステンレスSUS430部品を作製することを目的とし、SUS430を複数のスキャンパラメータで造形し、それらの断面密度を調査することで、適切なスキャンパラメータの選択により密度99.9%以上の高密度な部品を造形できることを明らかにした。また、その機械的特性を一般材に近い特性にすることを目的として、熱処理による機械特性の変化をさまざまな手法で調査・分析し、機械特性の変化の原因と推定されるメカニズムについて考察し、造形後の状態の引張特性は一般材と比較して強度と耐力が高く、伸びが低いこと、適切な条件の熱処理により金属3DプリントされたSUS430部品の引張特性を一般材とほぼ同等にできることを示した。

 本研究の成果により、金属3Dプリントの普及拡大とともに、複雑形状の製品設計/造形技術の進展や各種分野でのプロトタイピング効率向上に伴う産業発展に繋がることを期待する。

参考文献

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