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立体造形

レーザービーム方式積層造形におけるチタン合金部品造形のための見込み形状自動設計機能の開発

東京都

金属技研株式会社

2022年1月25日更新

プロジェクトの基本情報

プロジェクト名 航空・宇宙向けチタン合金積層造形部品の試作レス化技術の開発
基盤技術分野 立体造形
対象となる産業分野 医療・健康・介護、環境・エネルギー、航空・宇宙、自動車
産業分野でのニーズ対応 高機能化(新たな機能の付与・追加)、高性能化(既存機能の性能向上)、高性能化(精度向上)、高効率化(同じ生産量に対するリソースの削減)、高効率化(工程短縮)、環境配慮、低コスト化
キーワード 見込み形状生成、チタン合金部品造形、熱変形シミュレーション、マルチフィジックスシミュレーション
事業化状況 実用化に成功し事業化間近
事業実施年度 令和1年度~令和2年度

プロジェクトの詳細

事業概要

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。

開発した技術のポイント

・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

具体的な成果

・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。

知財出願や広報活動等の状況

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。

研究開発成果の利用シーン

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。

実用化・事業化の状況

事業化状況の詳細

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。

提携可能な製品・サービス内容

素材・部品製造

製品・サービスのPRポイント

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。

今後の実用化・事業化の見通し

・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。

実用化・事業化にあたっての課題

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。

プロジェクトの実施体制

サポイン事業者 金属技研株式会社 技術本部 テクニカルセンター
事業管理機関 技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構 技術推進部
学校法人近畿大学
研究等実施機関 株式会社先端力学シミュレーション研究所
技術研究組合次世代 3D積層造形技術総合開発機構 技術推進部
学校法人近畿大学
アドバイザー 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
三菱重工業株式会社

サポイン事業者 企業情報

企業名 金属技研株式会社(法人番号:4011201010452)
事業内容 熱処理加工業
社員数 546 名
生産拠点 群馬工場、滋賀工場、土岐工場、茨城工場、姫路工場、神奈川工場
本社所在地 〒164-8721 東京都中野区本町1-32-2
ホームページ http://www.kinzoku.co.jp/
連絡先窓口 金属技研株式会社 技術本部 テクニカルセンター 増尾大慈
メールアドレス hmasuo@kinzoku.co.jp
電話番号 046-238-2361