金属部品の積層造形に対する印刷パラメーターの影響: パフォーマンスと持続可能性の側面

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19292 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、積層造形金属部品の機械的特性に対する印刷パラメータの影響を、引張試験を使用して調査しました。充填密度とパターン配向を含む 2 つの印刷パラメーターを備えた 17-4 PH ステンレス鋼の試験片は、結合金属蒸着 (BMD) 技術を使用した積層造形 (AM) によって製造されました。この研究で考慮される機械的特性は、ヤング率と極限引張強さです。結果は、パターンの方向が三角形パターンの充填試験片のヤング率に影響を及ぼさないことを示しています。対照的に、極限強度はパターンの方向に応じて大きく異なり、パターンの方向が 0 度のサンプルが最高の極限強度を示します。実際、充填試験片の機械的特性は充填密度とともに増加します。しかし、運用コストと運用時間を考慮すると、結果的にパフォーマンスと持続可能性を評価するための指標が確立されます。充填試験片の正規化極限強度と相対密度との関係は、重量効率として定義されます。持続可能な製品を評価するための指標は、重量効率と持続可能なパラメーターによって特徴付けられます。このインデックスは、エンドユーザーが運用コストと時間を考慮して AM 製品の適切な充填密度を選択するのに役立ちます。材料のみのコスト、直接コスト、総コストなどのさまざまなコストモデルをインデックスモデルに含めて、特定のコストコンテキストで持続可能な製品を評価できます。

21 世紀における人類開発の急増には、第 4 次産業革命またはインダストリー 4.0 として知られる、技術革命と人間の生活にわたる根本的な変化が伴います。文明は、現代の製造技術と情報システムによって世界的な産業パフォーマンスを向上させ、世界中で生活の質を向上させる新たな産業革命の瀬戸際にあります。新世代の製造システムは、人工知能、ロボット工学、モノのインターネット、積層造形 (AM) などの最適なプロセスとテクノロジーを提供し、効率と生産性を長期的に向上させた柔軟な生産を実現します1、2、3。技術進歩の中でも、AM はインダストリー 4.0 を推進する重要な製造プロセスとみなされています。 AM は、3 次元 (3D) コンピュータ支援設計 (CAD) ファイルから部品を製造する製造技術であり、3D プリンティングとも呼ばれます。層ごとのプロセスによる自由形状の複雑な部品の製造が容易に可能になります4。この技術は、コンピューター数値制御 (CNC) 機械、ウォータージェット、レーザー切断などの従来のサブトラクティブプロセスに比べて、製造プロセスでの廃棄材料が少なくなります。 AM 部品は形状の自由度が高く、製造上の無駄が少なく設計できるため、デザイン可能でカスタマイズ可能な製品の新しい製造プロセスとして AM を適用することができ、新たなビジネスモデルを生み出す可能性があります。

AM はインダストリー 4.0 の推進技術であるだけでなく、廃棄物が少なく、製造時にリサイクル材料を使用できるため、環境にとって持続可能な技術と見なすことができます。これは、地球規模の温室効果ガス排出量を大幅に削減できる生産的なプロセスです。産業分野における大量の原材料生産とその潜在的な環境フットプリントは、AM テクノロジーを使用して削減できる可能性があります。その場合、AM はさまざまな業界で環境の持続可能性を高める機会を提供する可能性があります。以前は、持続可能性は環境の側面を強調することによって定義されていました。現在、この定義には社会的および経済的側面も含まれており、AM テクノロジーでもこれらの側面に対応しています5。 6R 原則 (削減、回収、リサイクル、再利用、再設計、再製造)6 を参照すると、AM は持続可能な開発の可能性を提供し、製品ライフサイクル全体の社会的および経済的影響を改善します7、8。 AM は、環境保全と経済成長の同時発展を可能にし、消費を最適化し、人類の生活のための資源を節約します。経済発展の仕組みを考慮すると、循環経済と資源の利用は実質的に関連しています。産業における材料とエネルギーの消費を削減および制御できれば、従来のビジネスモデルはすぐに持続可能な循環経済モデルに転換できるでしょう1,9。

AM テクノロジーは、プロトタイプを作成するための技術として 1980 年代に始まりました。長年にわたり、適切なアプリケーションとユーザーフレンドリーな使用のために、いくつかの AM 技術が提案されてきました。これらの進歩により、試作の容易化、特殊なツールやスキルの不要、大規模なカスタマイズ生産の可能性、時間とコストの削減、持続可能な生産など、製造において AM にさらなる利点がもたらされます 8,10。さらに、オンデマンド製造の機能により、AM はサプライチェーンを短縮し、保管の必要性と配送コストを削減し、交換部品のリードタイムを短縮できます11。これらの利点により、特に自社で設計した革新的な製品を扱う中小企業にとって、AM は現代的でよりアクセスしやすい製造および物流プロセスになります。大規模ビジネスでは、AM テクノロジーは航空機、航空宇宙、自動車、生物医学、エレクトロニクス産業などのさまざまな用途に広く採用されています 12、13、14、15、16。その製造には、ポリマー、セラミック、金属などのさまざまな種類の材料を使用できます。 AM 技術と材料の継続的な革新と、さまざまな生産および産業市場への応用により、AM への投資は過去 5 年間で大幅に増加しました。新型コロナウイルス感染症のパンデミックがある程度沈静化した後、多くの産業が進歩と投資の時期に入った。 Wohlers Report 202217 によると、AM 業界は 2021 年に 19.5% 成長し、新型コロナウイルス感染症の流行が始まった 2020 年の 7.5% の成長からさらに増加しました。さらに、AM 産業分野の大手コンサルタント会社である AMPOWER は、AM 市場が今後 4 年間で年間 18.2% の成長を遂げると予測しています。このレポートは、3D プリンティング部門全体が 2026 年までに約 200 億ユーロの価値があることを示唆しています18。

AM材料の中でも金属は、さまざまな分野の研究者や産業界から注目を集めています。金属 AM は、2021 年から 2025 年までに年間 29% 以上の成長を達成すると予測されています19。金属部品の従来の AM 技術は粉末床溶融 (PBF) であり、粉末を拡散させて高エネルギービームによって選択的に溶融した金属部品を形成します。ただし、この技術には厳格な安全規制が必要であり、費用がかかる作業です。最近の代替金属 AM 法は、溶融フィラメント製造 (FFF) プロセスに基づく押出ベースの技術で、ポリマー、バインダー、および材料の粉末から溶融フィラメントを混合します。 Desktop Metal Inc. (DM) は、フィラメント内の従来の原材料をステンレス鋼、銅、チタンなどの金属に置き換えることにより、バウンドメタルデポジション (BMD) と呼ばれる押出ベースの金属 AM 技術を提案しました。

BMD 技術により、エンドユーザーの製造者は金属部品をカスタマイズできます。 BMD は、鋳造と同様の密度と形状精度により、複雑な形状を特徴とする機械加工が困難な部品を製造できます。また、強度と重量の要件に応じて、金属部品をカスタマイズして、充填または完全に高密度の機能を持たせることもできます。同社の製品には多孔性 20 や表面粗さなどの欠点がありますが、BMD は手順が少なく、サポートが簡単に取り外し可能で、ステップバイステップのガイダンスを備えた使いやすいユーザーインターフェイスを提供します。その結果、この技術により、金属粉末やレーザーが飛び散ることがなく、オペレーターの介入が少なくなり、金属部品の製造がよりアクセスしやすく安全になります。印刷プロセスでは、金属 3D オブジェクトとセラミック支持媒体をそれぞれ形成するための金属ロッドとセラミックロッドを含む 2 台の押出機があります。その後、バインダーは脱脂プロセスで溶解され、焼結プロセスで緻密化されます21、22。エンジニアリング用途で AM 部品を使用する場合、AM 部品の機械的性能は、印刷パラメータ (充填材の密度や印刷の向きなど) を変更することで変更できます。用途に応じて部品に特定の強度が必要な場合は、そのようなパラメータの適切な設定を考慮する必要があります。そうしないと、要件よりも高い強度の部品が製造時間とコストに不必要に影響を及ぼします。したがって、AM 部品の強度と製造コストを最適化することが重要です。持続可能性の観点から、部品は合理的な生産コストと生産時間とともに最適化された強度を備えている必要があります。

ここ数年、AM 製品の挙動の多くの側面が多くの研究者によって広く研究され、発表されてきました 21,23,24,25,26,27,28 が、BMD 技術を使用した AM は、特に次の点で十分に研究されていません。持続可能性。前述したように、BMD テクノロジーにより、製造プロセスの安全性が向上した少量生産と経済的な金属部品が可能になり、中小企業、発明家、学術ユーザーが設計者や製造者として製品を開発する際に利益をもたらします。それにもかかわらず、より効果的で持続可能な生産を実現するには、特に小規模製造業者の場合、BMD 部品のパフォーマンス、製造時間とコストに合わせて適切な印刷パラメータを制御するリソース管理を考慮する必要があります。 BMD はエンクロージャ付き AM 部品に幅広い用途を広げるため、比強度と軽量化を可能にする内部格子構造の充填材を最適化することが重要です。一般に、性能と使用される材料の量との関係を最適化する必要があります。プロセスで使用される材料の量に関連する稼働時間とコストは、持続可能な管理にとって重要な変数です。最適な時間とコストで機能する AM 部品を実現するには、AM 生産のパフォーマンスと持続可能性の両方を評価する指標を利用する必要があります。

私たちの知る限り、持続可能な生産を確立するために不可欠な BMD を使用した AM 製品の性能と持続可能性の関係に関する既存の報告はありません。この研究は、BMD 技術を使用した金属 AM 試験片の機械的性能と持続可能性に対する印刷パラメータの影響を調査することを目的としています。 2 セットの印刷パラメーター (充填密度とパターンの方向) を持つ試験片は、機械的性能を決定するために引張試験を使用して試験されます。充填密度を変えた試験片の性能（極限引張強さ）と持続可能性（製造時間とコスト）の関係を持続可能な製品の指標として定義します。このペーパーでは、エンドユーザーとプロシューマーが、パフォーマンスと持続可能性に関連する指標に基づいて AM 製品の適切な印刷パラメータを選択するためのフレームワークを提供します。さらに、AM は持続可能な製造プロセスと名付けられていますが、AM 製品の持続可能性レベルを示す明確な方法はありません。したがって、この研究の指標は、AM 製品の持続可能性を評価する方法を提案することを目的としています。

この研究では、BMD 技術を使用して AM 試験片の機械的特性を評価するために引張試験が実行されます。 17-4 PH ステンレス鋼で作られた試験片は、ASTM 規格に基づいて 2 つの印刷パラメーターを考慮してテスト用に準備されました。最初に考慮されるパラメータは AM 試験片の充填密度です。これは、DM の Web ブラウザを通じて試験片の印刷パラメータ設定を調整することで変更できます。図 1 に示すように、16%、20%、24%、および完全ソリッド相当の 4 つの充填密度が考慮されます。三角形のパターンはプリンタのデフォルトの充填パターンであり、密度は変更することで変更できることに注意してください。三角形の単位胞のサイズ。

充填密度が異なる AM 試験片。

2 番目に考慮されるパラメータは、図 2a に示すように、\(xy\) 平面上に配置された充填パターンの方向です。さまざまな方向は、印刷プラットフォームに対して水平面上のラスター方向を調整することによって設定され、適切な剛性を備えた試験片が得られました21。 3 つの異なるパターン方向、つまり、図 2b に示すように、ラスター角度が 0、15、および 30 度のパターンが考慮されます。 0 ～ 90 度のラスター角度の場合、0、15、および 30 度の塗りつぶしパターンの向きは、それぞれ 60、45/75、および 90 度の場合と同じになります。さらに、方向が異なる充填パターンは、90 度ごとに同じパターンを繰り返します。したがって、この調査では、0/60、15/45/75、および 30/90 のラスター角度を使用して、他の四半期の垂直角度を表します。この調査では、すべてのサンプルに側壁のない充填試験片が使用されます。試験片の寸法は、短辺に沿って 8 つの完全な単位セルを持ち、密度が同じになるように設計されているため、若干異なることに注意してください。

(a) 印刷プラットフォームの \(xy\) 平面上のラスター方向。 (b) 充填パターンの向きが異なる AM 試験片。

ヤング率と極限引張強さは、この研究で考慮される AM 試験片の機械的特性です。データ収集の詳細は実験計画のセクションに記載されています。

異なる充填密度の試験片を調査するために、図 1 の各充填試験片の重量を測定して相対密度を計算します。相対密度は、充填試験片の平均重量と完全固体の対応する試験片の平均重量の比として定義されます。相対密度、ヤング率、極限強度の平均値を表1に示します。

DM が提供したデータシートによると、3D 金属プリンターで製造された 17-4 PH ステンレス鋼試験片のヤング率と極限強度は、それぞれ 195 GPa と 1042 MPa です29。同じ試験基準で、この研究で得られたヤング率と極限強度は、データシートのヤング率と極限強度のそれぞれ約 81.69% と 81.79% です。製造工程上のさまざまな要因により、誤差が発生する可能性があります。このため、AM 部品の機械的特性を評価するには、特定の印刷状況に関する実験的研究が不可欠です。

ヤング率と極限強度を含む、考慮された剛性を備えた充填試験片の重量効率は、正規化された値として表 2 に示されています。これらの値は、式 2 から計算されました。 (2) 異なる密度の充填試験片間の効率を比較するために使用されます。結果は、充填密度が高いほど試験片の効率が高いことを示しています。それにもかかわらず、試験片が完全な固体に近づくと重量効率が急速に増加するため、この挙動は線形ではありません。したがって、強度だけを第一に考慮する場合には、完全固体試験片が最良の選択となります。一方、追加のニーズとして重量やコストを考慮する場合は、強度と重量またはコストの両方を考慮した AM 部品の最適な条件が必要になります。これについては、次のセクションの持続可能性の側面で説明します。

異なるパターン方向の試験片を調査するために、すべてのサンプルに 12% の充填密度が使用され、その相対密度の測定値は 36.12% でした。ヤング率と極限強度の平均値を表 3 に示します。

パターンの方向は試験片のヤング率にほとんど影響を与えないことがわかります。このため、試験片は \(xy\) 平面上の任意の方向に印刷でき、弾性領域全体で同じ耐荷重が得られます。対照的に、パターンの方向の変化中に極限強度の変動が現れるため、加えられる荷重の方向は試験片の強度にとって重要です。 0/60 度の配向を持つ部品は、15/45/75 度および 30/90 度の配向を持つ部品よりも高い極限強度を示します (それぞれ 1.47 倍と 1.30 倍)。パターン配向が 0/60 度の AM 部品は、部品が最大の面内極限強度を発揮できるように、負荷に耐えるための印刷パラメータ設計を考慮する必要があります。

三角形パターンの充填試験片は三角形の単位格子を持つ格子構造として扱うことができるため、そのような格子の実効ヤング率は文献から得られる閉じた形式を使用して予測できます30。図2に示すように、囲まれていない側壁と0/60度のパターン配向を備えた試料は格子構造と一致しており、ヤング率は式2を使用して計算できます。 (1)。検証では、表 3 の実験から得られたヤング率の値が、式 (3) から計算されたヤング率の値と比較されます。 (1)、これは 23.107 GPa に相当します。誤差は 3.10% ですが、良好な一致が観察されます。

この研究の結果を関連研究と比較するために、0/60 度の配向を持つ充填試験片の重量効率 (図 2 を参照) を文献から得られた重量効率と比較しました。重量効率は式を使用して計算できます。 (2) ヤング率を考慮した剛性として使用します。この研究と関連研究から得られた結果は、0.35、0.3430、0.3331、および 0.3532 です。これらの結果はよく一致しており、この研究の実験結果を裏付けています。

さらに、式を代入すると、式の (1) (3) および (4) を使用すると、他の方向の試験片の面内ヤング率を計算できます。式と実験から得られた、\(0\) から 360 度の範囲のさまざまな方向の試験片のヤング率の結果が図 3 にプロットされています。 (3) と (4) は青色の線で示され、さまざまなパターン方向の試験片のヤング率の実験結果は緑色の点で示されています。等方性極プロットでは、両方の結果が対応するすべての方向について類似しており、絶対誤差は 4.00% 未満であることがわかります。

異なるパターン方向を持つ充填試験片の等方性極プロット。

環境、社会、経済的側面は、製品の持続可能性を評価するために使用される一般的な要素です。 AM は従来のプロセスと比較して環境に優しい製造プロセスであることが多くの研究で証明されています 5,33,33,35。 AM は、粒子汚染、汚染、有害廃棄物などの環境への影響を改善する直接的な効果をもたらします。同時に、プロセスにおける原材料の使用量の削減による CO2 排出量の削減により、間接的な環境への影響ももたらします。これらの影響は、生産者の生活の質の向上と健康上の利益による社会の改善につながります。社会的側面は、AM によって持続可能性の目標を達成し、新たなビジネスチャンスを開発できるようになるため、プロシューマーと呼ばれる、デザインや製造に興味を持つ顧客の増加にも影響を与えます5、36、36、38。冒頭で述べたように、BMD を使用した AM テクノロジーではこれらの利点がより効率的になり、よりアクセスしやすく、安全で効果的な金属部品の製造が可能になります。

経済的な観点から見ると、プロシューマーの関与が高まる可能性により、オンデマンド生産や即時供給など、最新の製造と物流を伴う新たなビジネスモデルの出現による循環経済が促進されます。さらに、プロセスで使用する金属を最小限に抑え、時間の節約とコスト効率の高い生産の観点から、BMD を使用した AM を提案できます。使用する材料が少ないほど、製造時間が短縮され、コストが低くなります。したがって、前述のように材料密度は性能に直接関係するため、部品の用途に合わせて適切な充填密度を選択することが不可欠です。表 4 は、BMD を使用してさまざまな充填密度で AM 試験片を製造するための時間とコストを示しています。経費は直接経費と間接経費に分類され、コストモデルで考慮されます。人件費は BMD プロセスでは無視できるため考慮されません。印刷、脱脂、焼結などの製造工程全体の時間も稼働時間に含まれます。

金属とインターフェースのコストのみを含む材料コストは直接コストの一部であり、電気代や消耗品（脱脂液やガスなど）のコストも考慮されます。支出の大部分は間接費であり、総コストの約 93% ～ 94% を占めます。表 4 に示すように、試験片の充填密度のパーセンテージに関連して、使用する材料の量に応じて時間とコストが増加します。したがって、望ましい重量効率を実現するために時間とコストを最適に調整することが、持続可能なプロセスを実行する方法です。この研究では、持続可能な製品の指標として、重量効率と正規化された持続可能なパラメータとの関係を定義します。重量効率は式を使用して計算できます。 (2)、極限強度を考慮すると \({e}_{UTS}\) と定義されます。一方、運転コストと製造時間は持続可能なパラメータとして扱われます。正規化された持続可能なパラメータは、各充填試験片の考慮された持続可能なパラメータと完全固体の対応物のそれとの間の比から得ることができる。たとえば、正規化された運用コストは、充填試験片のコストと完全固体の同等品のコストとの比率から取得でき、\({\widehat{C}}_{i}={C}_ と定義されます) {i}^{\text{infill}}/{C}_{i}^{\text{solid}}\)、\(i\) は考慮されたコスト、つまり材料のみのコスト、直接コストを表します。、合計コスト。したがって、指数は \({e}_{UTS}/{\widehat{C}}_{i}\) によって取得できます。これは、さまざまな焦点を当てたコストモデル \(i\) を考慮することで、さまざまな経済的側面に合わせて調整できます。。間接費は総経費に近く、どちらも同じ指数となるため、総コストの結果のみを示すことに注意してください。図 4 に示すように、指標値 (\(i\) は材料のみのコスト、直接コスト、および総コストを示します) は、それぞれ青、緑、オレンジで表示されます。性能、重量、コストの観点からの評価が正規化された値として指標モデルに組み込まれます。指数値が高いほど、AM 製品が持続可能性に対して優れたパフォーマンスを発揮することを意味します。

運用コストの正規化値に対する重量効率。

材料のみのコストに焦点を当て、検討したすべての充填試験片で同様の指標値が観察されます。特に相対密度が 50.68% および 62.18% の試験片の場合、使用される材料のみの重量効率と正規化コストを考慮すると、充填密度の影響が少ないことが示唆されます。対照的に、直接コストと総コストに焦点を当てると、充填密度が高い標本の方がより良い指数が得られます。充填密度が高い試験片はより多くの費用がかかるにもかかわらず、性能と持続可能性の点で良い結果が得られることが示されています。

さらに、持続可能性の観点からより包括的な指標をモデル化するために、製造プロセスにかかる時間を指標モデルに含めることができます。製造時間を加算したインデックスは \({e}_{UTS}/({\widehat{C}}_{i}\times {\widehat{T}}_{P})\) で取得できます。 \({\widehat{T}}_{P}\) は、全体の処理時間の正規化された値を示します。この指標には、図5に示すように、性能、重量、コスト、時間の観点からの評価が含まれます。

運用コストと時間の正規化値に対する重量効率。

図 5 のモデルから、製造時間を考慮すると指標値が増加することがわかります。モデルに持続可能なパラメータをさらに追加しても、充填密度が高い AM 部品のほとんどは、充填密度が低い部品よりも優れています。ただし、材料のみのコストを考慮すると、充填密度が低い部品の方が、充填密度が高い部品よりも高い指数が得られる可能性があります。指数の感度は持続可能なパラメーターに応じて変化するため、より持続可能なパラメーター (例: 使用される原材料からのエネルギー消費と CO2 排出量) および特定のコストモデル (例: 材料のみのコスト) を考慮すると、部品のコストを大幅に下げることができます。充填密度は、パフォーマンスと持続可能性の観点からより大きな影響を与えます。総コストのほとんどは、企業の固定義務である間接費などの確定固定費で構成されているため、材料費のみのコストなどの特定のコストモデルを考慮することが評価に実行可能であることに注意してください。

実際、インフィル部品は、面内剛性の能力の点でフルソリッド部品に匹敵することはできません。本研究は、AM部品の性能面だけでなく持続可能性の面も含めた充填密度を評価する指標を提案することを目的としている。機械的特性とコストおよび時間の関係は、重量効率と正規化された持続可能なパラメーターの比率で表され、AM 製品の持続可能性の程度を最初に評価するために使用できます。指数の値が高いほど、その製品がパフォーマンスと持続可能性の点で好ましいことを示します。

さらに、この研究は AM 製品のパフォーマンスと持続可能性の観点に焦点を当てています。性能面ではヤング率と極限強度のみが考慮され、持続可能性の面では製造コストと時間が考慮されます。将来の研究に対する提案は、より多くの性能をカバーするために、性能の面で曲げや疲労などの他の剛性をさらに研究する必要があるということです。持続可能性の側面では、エネルギーや環境の側面など、より持続可能なパラメーターをモデルで考慮できます。さらに、この研究は AM 製品の製造コストのみを考慮しています。投資による利益または損失に関連する分析は、商業的な側面をカバーするためにさらに考慮される場合があります。

AM が BMD 技術を使用して製造した 17-4 PH ステンレス鋼の試験片は、性能と持続可能性に対する印刷パラメータの影響を調査するために引張試験によって試験されました。性能の観点から、2 セットの印刷パラメータを備えた AM 試験片、つまり、異なる充填密度を備えた試験片とさまざまなパターン方向を備えた試験片をテストして、ヤング率と極限引張強さを取得しました。予想通り、充填密度が高い試験片はより優れた機械的特性をもたらします。面内パターンの方向は、三角形パターンの充填試験片のヤング率にわずかな影響を与えますが、極限強度には違いがあります。パターンの向きが 0/60 度の試験片は最高の極限強度をもたらします。

持続可能性の観点から、異なる充填密度の試験片の製造時間とコストは持続可能なパラメータとみなされ、考慮された性能として極限強度が選択されます。充填試験片の極限強度とその正規化重量密度との関係は、試験片の重量効率として定義されます。性能と持続可能性の観点から AM 部品を評価するための指標は、重量効率と正規化された持続可能パラメータによって特徴付けられます。この研究では 2 つの評価モデルが提案されています: (1) 重量効率対正規化運転コスト、および (2) 重量効率対正規化運転コストおよび時間。材料のみの原価、直接原価、および総原価は原価モデルオプションとして分類されます。結果は、材料のみのコスト (限界ケース) を考慮すると、最初のモデルでは密度が低い充填試験片が密度が高い充填試験片と同等の指数を生み出すのに対し、2 番目のモデルでは、密度が低い場合、密度が高い場合よりも優れたインデックスが得られます。これらのケースに加えて、より高密度の充填試験片は、すべてのケースで最良の指数を示します。この研究における AM 試験片の性能は面内荷重についてのみ調査されたことに注意してください。曲げや疲労などの他の実装では、異なる結果が得られる場合があります。

この研究結果が示すように、面内パターンの配向（水平面）は、三角形パターンの充填部のヤング率にほとんど影響を与えないと結論付けることができます。充填部品のヤング率は、充填密度の一次関数ではありません。充填密度が高い部品は、充填密度が低い部品よりも面内剛性の重量効率が高くなります。パフォーマンスと持続可能性を考慮すると、充填密度が高いほとんどの部品は、充填密度が低い部品よりも高い指数をもたらします。ただし、持続可能なパラメーターを仮定すると、指数が大幅に変化する可能性があります。この指数は、耐久性に対する剛性の観点から AM 部品を評価するために使用できます。

不均質材料の場合、その不均質性が均一に分布し、材料のフルサイズよりもかなり小さい場合、少なくとも確率論的に、その材料は効果的な特性を備えた均質材料とみなすことができます。材料は、その効果的な特性を決定する際に、理論的には無限の材料になるように拡張されると考えられます。均一な境界条件にさらされ、遠方界の境界で均質な材料に均一な応力と歪みが生じます。結果として得られる平均応力と平均ひずみの間の関係は、材料の有効な特性を定義するために使用できます 39,40。

不均質性が周期的に分布している不均質材料は、格子構造としても知られる周期材料と考えることができます。格子構造がかなりの数の周期的な単位セルで構成されている場合、有効な特性を決定できます 41,42。製造された格子構造では、このような単位セルパターンは、用途に合わせた望ましい特性を維持しながら、使用する原材料の量を (固体材料と比較して) 削減するのに役立ちます。異なる周期パターンまたは単位セルパターンにより、格子構造のさまざまな機械的動作が生じます。

2D 格子構造は、充填パターンの密度を制御することで原材料と製造コストを削減するために、AM 製品によく使用されます。 AM 部品の充填パターンには、一般に 2D 周期パターン、特に三角形パターンが使用されます。この研究では、三角形の充填パターンを持つ AM 試験片を、三角形の単位セルを持つ 2D 格子構造として扱います。三角形の充填試験片の材料挙動は、三角形の単位セルを含む格子構造の有効な弾性特性を考慮することによって取得できます。図 6 は、三角形の単位セルを含む格子構造を示しています。\(l\) は単位セルの特徴的な長さを示し、\(b\) と \(t\) はそれぞれ幅と厚さを示します。これらの重要なパラメータを使用して、文献から得られる三角形単位セルを含む格子構造の有効ヤング率を計算できます30。

三角形の単位セルを持つ格子構造とその支柱の寸法。

ここで、 \({E}_{x}^{*}={E}_{y}^{*}\) は充填試験片の有効ヤング率を表し、 \(E\) はベースのヤング率を表します。材料。さらに、\(\overline{\rho }\) は、\(2\sqrt{3}b/l\) に等しい三角形の単位格子を持つ格子構造の相対密度を示します。

AM 試験片では重量を軽減するために充填密度が使用されます。試験片の剛性が主要な設計目標の 1 つである場合、重量効率を評価するために試験片の剛性と重量密度の比率を考慮できます。全固体試験片と比較した充填試験片の効率を評価するために、試験片の考慮された重量密度当たりの剛性と、同じ寸法を有する全固体試験片の重量密度当たりの剛性との間の比が、重量効率として定義されます。標本、つまり、

ここで、 \({S}^{*}\) と \(S\) は、それぞれ充填試験片と完全固体の対応する試験片の考慮された剛性です。さらに、 \(\overline{\rho }\) は相対密度であり、実際には、充填試験片の重量密度と同じ寸法の完全固体試験片の重量密度の比です。 , \(\overline{\rho } = {{\rho^{*} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\rho^{*} } \rho }} \right. \kern-\nulldelimiterspace} \rho }\)。

\(xy\) 平面上の 2D 格子構造に対する荷重方向の影響を調査して、さまざまな回転方向での格子構造の特性を検証します。直交異方性材料の場合、\(xy\) 座標系から \({x}^{^{\prime}}-{y}^{^{\prime}}\) 座標系への機械的特性の変換は次のようになります。図7に示されています。

オリジナルの回転座標系。

剛性行列とコンプライアンス行列が対称である 2 つの座標系間のヤング率の変換は、次のように記述できます。

ここで、 \({E}_{x}\) と \({E}_{y}\) は \(xy\) 座標系のヤング率を表し、\({E}_{{x}^) {^{\prime}}}\) と \({E}_{{y}^{^{\prime}}}\) は \(x{^{\prime}}-y{ ^{\prime}}\) 座標系。また、\({G}_{xy}\) はせん断弾性率、\({\nu }_{xy}={\nu }_{yx}\) はポアソン比を表します。ここでは、幾何学点の変換のために \(m=cos\theta\) と \(n=sin\theta\) が定義されています。

AM 部品の機械的特性は、ASTM E8/E8M 規格に基づく引張試験によって実験的に取得できます。 AM 部品は内部の多くの単位セルによって構築された格子構造として扱われるため、その試験片は正確な機械的応答を確実に生み出す効果的な特性を備えた均質な材料として設計される必要があります 44,45。試験片が均質な材料であるとみなせることを確認する場合、機械的特性に影響を与える他の印刷パラメータを研究できます。この論文では、材料の挙動と製造コストに対する AM 技術の印刷パラメータの影響を調査するために、2 つの重要な印刷パラメータ、つまり充填密度とパターン配向に重点を置いています。図 1 に示すように、AM 試験片については、完全固体試験片の 50.68%、62.18%、73.60%、および 100% (相当) を含む 4 つの相対密度が考慮されます。三角形単位セルの 3 つのパターンの方向が考慮されます。これには、図 2 に示すように、回転されたパターンの向き \(0^\circ\)、\(15^\circ\)、および \(30^\circ\) が含まれます。 \(0^\ の回転以降) circ\)、\(15^\circ\)、\(30^\circ\) は、\(60^\circ\)、\(45^\circ /75^\circ\)、および\(90^\circ\) それぞれ、考慮された充填パターンの方向は、この研究での調査には十分です。

17-4PH ステンレス鋼で作られたすべての試験片は、Studio System デスクトップメタル 3D プリンタによる BMD テクノロジーを使用して製造されました。充填密度の効果を調査するために、三角形パターンを使用した充填密度の試験片は、上壁と底壁の厚さを持たずに作成されました。図 8a に示すように、試験片の形状と寸法は ASTM E8/E8M 規格に従って考慮されました。長方形の支柱の断面を維持しながら \(l\) を変更することで充填密度を変化させました (図 6 を参照)。表 1 に示すように、充填密度は、充填試験片と完全固体試験片の重量の比である相対密度としても表示されます。パターン配向効果を調査するために使用される試験片の場合、長方形の形状の試験片が使用されます。図 8b に示すように、ASTM E8/E8M 規格に基づいて設計されており、\(\mathrm{W}\) を調整して短辺に沿って完全な単位セルを取得できます。調査では、各パターン方向に対して相対密度 36.12% のサンプルが使用されました。各パラメータータイプの一連の標本について 5 つのサンプルが検査されたことに注意してください。ヤング率と極限強度の平均値を計算するために、少なくとも 3 つのサンプルの信頼できる結果が収集されました。

ASTM E8/E8M 規格に準拠した試験片の形状と寸法。

ASTM E8/E8M 規格に従って、Instron 8802 万能試験機を使用して引張試験を実行し、17-4 PH ステンレス鋼試験片のヤング率と極限引張強さを求めました。引張試験は、降伏点前は速度 1.0 mm/min、降伏点後は速度 5.0 mm/min の変位制御で操作されました。伸び計を使用して弾性領域のひずみを測定し、降伏点の後に取り除きました。

製造プロセス中の AM 製品の総コストを見積もるために、単位コストモデルが使用されました。総コストモデル \({C}_{T}\) の一般方程式は次のように書くことができます。

ここで、 \({C}_{\text{Direct}}\) は、原材料、インターフェース、消耗品、電力にかかる推定コストを示し、 \({\dot{C}}_{\text{Indirect}} \) と \({T}_{P}\) は、マシンの動作と処理時間のコスト率を示します。また、\({\dot{C}}_{\text{Labor}}\) と \({T}_{L}\) は分娩率と分娩時間を表します。

要素コスト、つまり印刷活動に関連する直接コスト、間接コスト、および人件費の合計は、一次 BMD プロセスのコストを反映します。直接コストの見積もりには、システムに供給される材料 (原材料およびインターフェース)、消費されたエネルギー、および消耗品 (ビルドシート、脱バインド液、ガスなど) のすべての支出が含まれます。間接原価率は、減価償却とメンテナンスにかかる機械の主な総コストを表し、次の式で取得できます。

この調査では、印刷機は 10 年間稼働すると推定され、年間保守コストは各機械の種類に応じて年間機械コストの 15% ～ 20% と推定されました。また、年間稼働時間は4,000時間とした。式 (6) は、表 5 の総機械コスト率の計算に使用されています。人件費の見積もりは、AM 生産作業員にかかるコストを示しています。表 5 は、製造プロセス全体にわたる総コストモデルの要素を示しています。すべての推定コストはマシン所有者のコンテキストに基づいてモデル化されることに注意してください。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究はチェンマイ大学によって部分的に支援されました。責任著者は、高等教育・科学・研究・イノベーション省（OPS MHESI）、タイ科学研究・イノベーション（TSRI）の次官室からの助成金番号 2 に基づく財政的支援に感謝の意を表します。 RGNS64-070。 2 人目の著者はチェンマイ大学工学部から奨学金を受け取りました。この研究は、マリー・スクウォドフスカとキュリーの助成協定第101086487号に基づく欧州連合のHorizon 2021研究・イノベーションプログラムのプロジェクト「インテリジェントで持続可能で人間中心の中小企業の次のレベルに向けた戦略的ロードマップ：SME 5.0」の一部である。。

チェンマイ大学工学部機械工学科、チェンマイ、50200、タイ

トンチャイ・フォンサムートル、イティデット・タウォン、ナコーン・ティパヤウォン、パナ・スッタクル

チェンマイ大学工学部産業工学科、チェンマイ、50200、タイ

コラコットヤイブアテットティパヤウォン

サプライチェーンおよびエンジニアリング管理研究ユニット、チェンマイ大学、チェンマイ、50200、タイ

コラコットヤイブアテットティパヤウォン

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TF が構想を開始し、この研究研究を支援および監督し、IT と PS が実験を実施して結果を分析し、NT と KYT が資金を調達してこの研究研究を監督し、PS が研究の方向性を設計し、原稿を起草、執筆、編集しました。著者全員が原稿をレビューしました。

パナ・スッタクルへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Fongsamootr, T.、Thawon, I.、Tippayawong, N. 他金属部品の積層造形に対する印刷パラメーターの影響: パフォーマンスと持続可能性の側面。 Sci Rep 12、19292 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22613-2

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受信日: 2022 年 6 月 29 日

受理日: 2022 年 10 月 17 日

公開日: 2022 年 11 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22613-2

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