研究開発された技術紹介

電子ビーム方式と比べ低コストかつ品質安定性の高いレーザービーム方式のパウダーベッド金属積層造形を用いた航空・宇宙向けチタン材部品造形の試作レス化技術を開発する。チタン材の積層造形では熱変形による寸法精度低下や割れが発生するが、メルトプールの観察と伝熱・熱変形シミュレーションを併用し造形の変形量を考慮した最適化形状で造形することで、従来に比べて70%の開発期間短縮と30%コストダウンを実現する。

・熱変形シミュレーション用熱変形データのパラメータの明確化
・Ti6Al4V大型ダクトを試作レスで強度および寸法精度の規格要求値を満足する造形
・伝熱シミュレーションからの固有ひずみデータベースを用いた熱変形シミュレーションの開発
・熱変形シミュレーションからのCAD見込み形状自動生成機能の開発

・熱変形シミュレーション用熱変形データのパラメータの明確化
-造形時熱変形はベースプレート温度や機種に依存することが確認され、データベースもそれらを加味したものとする必要性が示された。
-造形材残留応力は最上面付近に遍在することが示された。

・Ti6Al4V大型ダクトを試作レスで強度および寸法精度の規格要求値を満足する造形
-粉末単価が安い国内粉末メーカー製粉末を使用した造形においてもASTMで要求されている機械的強度を達成。
-開発したマルチフィジックスシミュレーションで作成した見込み形状で造形し、普通公差（JIS B0405）の公差等級中級の許容範囲内で造形を達成。

・伝熱シミュレーションからの固有ひずみデータベースを用いた熱変形シミュレーションの開発
・熱変形シミュレーションからのCAD見込み形状自動生成機能の開発
-EOS機伝熱解析で実測との差異:±3°C以内を達成。
-櫛歯試験片の固有ひずみ解析と実測の誤差:8.5%を達成。
-シミュレーション結果見込み形状生成時間:1時間以内を達成。

一般社団法人日本溶接協会　2021年度３D積層造形技術委員会（第3回）技術講演で本サポイン成果を発表。

開発したシミュレーション技術を活用した試作レス化により、造形部品の低コスト化や短納期化、精度向上が実現できる。航空宇宙分野での利用はもちろん、医療機器業界をはじめとする他業界や他材料への水平展開が可能な技術であると判断している。

金属造形技術においては、コストダウンを目的としたシミュレーションの活用が当たり前になりつつあり、演算精度の高いソフトウエアに対する需要は高まっている。金属技研で受託対応しているチタン合金造形品も量産品を意識した計画が増えつつあり、今回開発した技術を活用することで先行している欧米造形技術と同等以上の価格メリットおよび品質を提供できるようになり、多数の量産部品を国内に展開することで事業化を果たすことが可能となると考えている。

変形を考慮した伝熱・熱変形マルチフィジックスシミュレーションを開発し、熱変形値を造形試験片の評価からデータベース化し、シミュレーションによって得られる予測値から見込み形状を算出する造形プロセスを構築する。結果として、造形部品完成までに必要な試作を失くし、試作に必要となる設備稼働費や材料費を削減することで、現行コスト高とされる積層造形部品のコスト低減や短納期化、精度向上が実現できる。

・金属技研では、今回開発した技術を活用し、多数の量産部品を国内に展開することで事業化を果たすことが可能になると考えている。また、金属造形技術をカスタムインプラント等の医療機器に展開する為、造形工程を含んだ製作工程でISO13485の取得を達成しており、今後、医療機器製造においても今回開発した技術の活用を目指している。
・本研究で開発したマルチフィジックスシミュレーションによる見込み形状自動設計システムは、金属技研からのフィードバックを受けつつ先端力学シミュレーション研究所でユーザビリティーの向上や計算時間の低減のための開発を引き続き行い、金属積層造形ユーザー向けのシミュレーションサービスとして販売する計画である。

本サポインでは、材料はチタン合金、装置はEOS M280/SLM 280HLのみを対象としたが、金属積層造形ユーザー向けのシミュレーションサービスとして販売し売上を伸ばすためには、対応可能な金属種・装置をさらに拡大する必要がある。