金属材料に対応可能な3Dプリンティング技術の一つとして, 指向性エネルギ堆積法(DED)が航空・自動車産業を中心に注目を集めている。DEDは高出力レーザによって母材に溶融池を生成し, そこに材料粉末を噴射することで積層を繰り返す造形方式であり, 造形効率が高い一方で形状精度が低いといった問題点がある。特に耐熱合金を造形する場合, 造形物上部に熱エネルギが蓄積されやすく, 溶融池形状が不安定となり垂れや丸まりが生じてしまう。
本研究は上述のようなDEDによる造形中に生じる過加熱を避け, 造形物の形状精度を向上させるため, 事前に造形結果を予測できる時間領域シミュレータを開発することで, 造形条件の最適化を目的とした。
開発する時間領域シミュレータは, 熱の移動を解析でき, かつ材料の溶融時の流動解析にまで応用できる粒子法をベースに作成した。造形工程を再現するために, 要素増加型のモデルを作成し, レーザ焦点位置に熱エネルギを与えることで, 各ステップ時間の温度分布を解析した。このときレーザ出力値を自由に設定できることから, 溶融池温度を目的変数, レーザ出力を評価変数とした再急降下法により溶融池温度を一定に保つことができるレーザ出力を算出する最適化法を提案した。求めた最適レーザ出力を使用してDEDを行ったところ, 過加熱によって生じていた造形物の変形が大幅に低減され, 提案手法が確かに形状精度を高められることを実験的に示せた。ただし, 溶融池の流動解析の発展を現在試みているが, 実現象との相関性を確認できず, 開発が難航している。シミュレータ中の物性値の調整等, 今後も継続してキャリブレーションを繰り返して解析精度の向上を目指す。
しかしながら, 以上の成果をもって2カ年の実施期間中に, 学術論文を1編, 国際会議発表を1件, 国内学会発表を2件といった成果を残し, また今後同テーマの国際会議発表を2件行う予定である。
Direct energy deposition (DED), one of 3D printing techniques applicable to metals, gathers much attention from aerospace and automobile industries. The DED produce a deposit by forming a meltpool on a baseplate by a high-power laser and supplying material powder to the meltpool. Although the production efficiency of DED is comparably high, the form accuracy is difficult to ensure particularly for heat-resist metal, because heat energy is stored in the top of deposit and meltpool shape often gets so unstable that a deformation occurs on the deposit.
In order to avoid the overheating and enhance the shape accuracy in DED, I have been trying to develop a time-domain simulator predicting the deposition result, which is also useful to optimize the deposition conditions.
The developed time-domain simulator is produced based on particle method which is available to analyze the thermal conductivity and the fluid-dynamics of molten material. By supplying heat energy on the elements in the laser spot and adding the elements gradually to realize the deposition process in the simulator, the temperature distribution is estimated for each time step. Because the laser powder is variable in this simulation, a laser power optimization, keeping the meltpool temperature, can be conducted with a gradient descent setting the meltpool temperature to the objective value and the laser power to the valuable value. In this study, I successfully showed that the proposed method certainly and drastically reduces the heat deformation and enhances the shape accuracy through deposition experiments with the optimized laser power. However, the fluid-dynamics analysis is still a challenge in this study because the similarity is not sufficiently high between the simulator and the experiment. By adjusting the physical parameters and continuing the calibration, I will try to enhance the analytical accuracy as a next step.
Based on these achieved results, I wrote one journal paper and made three presentations in international conferences in this two years. Furthermore, two presentations also will be made in international conferences.