レーザーの新しい「デジタルツイン」

Jun 14, 2023

最適な成形条件を自動決定する数値処理解析システムを開発

東京理科大学

画像: 研究チームは、LDED が界面強度と機械的特性の点で他の修復方法よりも優れていることを実証しました。もっと見る

クレジット: 東京理科大学 新井正之

産業機械や構造物の機械部品に減肉や亀裂が生じた場合は、新しいものと交換する必要があります。 近年、産業の持続可能性を高めるために、それらを修復する試みが検討されています。 そこで、機械の修理技術が研究開発の注目のテーマとなっています。 従来の金属 3D プリントによる製造では、機械的に敷設された粉体層の表面にレーザーまたは電子ビームを照射して金属粒子を溶かし、融合させます。 しかしながら、この方法は大型の製造装置を必要とする。 また、製造工程後には多量の金属粉が廃棄される。 しかし、レーザー指向エネルギー堆積 (LDED) は、課題を克服する有望な技術です。 この技術では、金属粉末をレーザービームの焦点に堆積させ、その後溶かして積み重ねます。

LDED の利点は、装置のコンパクトさだけではなく、金属粉末の廃棄物の大幅な削減にも関係しています。 さらに、この技術により、基板表面上に金属粉末をその場で3D形状に作製することが可能になります。 つまり、金属製の機械の修理にも使用できるということです。

東京理科大学工学部機械工学科の新井正之教授、同じく東京理科大学の村松利和氏、機械工学科の伊藤清裕博士らの研究者グループ諏訪理科大学電気工学科は、トーカロ株式会社の溶射技術開発研究所と共同で、LDED を用いた修復技術を開発しました。 「私たちの技術を使えば、現場で金属構造物の表面形状を完全に修復することができ、補修に必要な金属粉の廃棄量を大幅に削減できます。しかし、この技術を広く応用するには最適な成形条件が必要です。」これまで、業界の課題は試行錯誤で決められていました」と、損傷メカニズムや修復技術の研究に積極的に取り組んできた新井教授は説明します。

2022 年 11 月 23 日に Journal of Thermal Spray Technology に掲載された最近の記事では、研究者らは、死生アルゴリズムを使用して金属粉末の堆積領域を自動的に生成する LDED の数学的モデルを考案し、生産の最適化に必要な推測を排除しました。 「蒸着領域を構成する積層要素に熱放射・熱伝導モデルと粘塑性・熱可塑性構成モデルを適用することで、金属粉末の蒸着層の溶融から凝固までの幅広い状態変化を忠実にシミュレーションすることが可能」これらのモデルを有限要素解析プログラムに組み込むことで、これまでにない新しい加工解析システムを開発しました」と新井教授は語る。 修復過程を数値的にシミュレーションすることで、成形加工条件、温度分布、変形状態、残留応力分布などを事前に予測し、実験により検証しました。 彼らは、堆積した層の残留応力が従来の修復プロセスで得られるものよりもはるかに低いことを発見しました。

この新しい 3D 加工数値解析システムは、修復領域での金属の融合に基づく既存のコア加工技術のデジタル ツインです。 今回開発した数値解析手法は、将来的には、発電所の循環ポンプに使用されるブレード表面のキャビテーション減肉の修復計画や、減肉修復後の残留変形を低減する方法の考案など、さまざまな産業用途への応用が期待できます。ガスタービンの回転翼の先端。 数値加工解析システムによる自動化の機能とプロセス条件の事前予測を組み合わせると、LDED 修復技術による 3D 金属積層金属加工がより効果的になり、効率的なリソース管理により持続可能性が向上します。

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参照

DOI: https://doi.org/10.1007/s11666-022-01499-6

東京理科大学について

東京理科大学 (TUS) は、東京の中心部とその郊外、そして北海道に 4 つのキャンパスを持つ日本最大の科学専門の私立研究大学であり、知名度と評判の高い大学です。 1881 年に設立されたこの大学は、研究者、技術者、教育者に科学への愛を植え付けることを通じて、日本の科学の発展に貢献し続けてきました。

本学は、「自然、人間、社会の調和のとれた発展のための科学技術の創造」を使命として、基礎科学から応用科学まで幅広い研究に取り組んでいます。 TUS は研究に対して学際的なアプローチを採用し、今日最も重要な分野のいくつかで集中的な研究を行っています。 TUS は実力主義であり、最高の科学が認められ、育成されます。 ノーベル賞受賞者を輩出している日本の私立大学であり、自然科学分野でノーベル賞受賞者を輩出しているアジアの私立大学でもあります。

ウェブサイト：https://www.tus.ac.jp/ja/mediarelations/

東京理科大学 新井正之教授について

新井正之博士は、東京理科大学 (TUS) 工学部の機械工学教授です。 材料・材料力学（固体力学、損傷力学、界面力学）を研究対象としています。 彼は博士号を取得しました。 東京工業大学卒業。 彼は 150 件を超える査読付き論文、300 件を超える学会発表を執筆し、3 件の特許を取得しています。 彼は、いくつかの有名なジャーナルの編集委員会でゲスト編集者や副編集長を務めてきました。 また、破壊と強度に関するアジア太平洋会議 (2018 年)、日本機械学会 (2016 ～ 2017 年) の科学委員も務めました。

溶射技術ジャーナル

10.1007/s11666-022-01499-6

計算シミュレーション/モデリング

適用できない

レーザー直接エネルギー蒸着による修復プロセスの三次元数値シミュレーション

2022 年 11 月 23 日

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