레이저의 새로운 '디지털 트윈'

Jun 14, 2023

최적의 성형조건을 자동으로 결정하는 수치가공해석 시스템 개발

도쿄이과대학

이미지: 연구팀은 LDED가 계면 강도와 기계적 특성 측면에서 다른 수리 방법보다 우수하다는 것을 입증했습니다.더보기

크레딧: 도쿄 이과 대학의 아라이 마사유키(Masayuki Arai)

산업기계 및 구조물의 기계부품이 얇아지거나 균열이 발생하면 새것으로 교체해야 합니다. 최근에는 산업 지속 가능성을 향상시키기 위해 이를 수리하려는 시도가 고려되었습니다. 그래서 기계 수리 기술은 연구개발의 화두가 되어 왔습니다. 기존의 금속 3D 프린팅 제작에서는 금속 입자를 녹이고 융합시키기 위해 레이저 또는 전자 빔이 조사되는 기계적으로 놓인 분말 베드의 표면을 사용합니다. 그러나 이 방법에는 부피가 큰 제조 장비가 필요합니다. 또한, 제조 공정 후에 다량의 금속 분말이 폐기된다. 그러나 레이저 지향 에너지 증착(LDED)은 이러한 과제를 극복할 수 있는 유망 기술입니다. 이 기술에서는 레이저 빔의 초점에 금속 분말을 증착한 다음 녹여 쌓습니다.

LDED의 장점은 장비의 소형화뿐만 아니라 금속분말 폐기물의 대폭 감소와도 관련이 있습니다. 또한, 이 기술을 통해 기판 표면에 3차원 형태의 금속분말 제조가 가능해졌습니다. 이는 금속으로 만든 기계를 수리하는 데에도 사용할 수 있다는 것을 의미합니다!

일본 도쿄이과대학(TUS) 공학부 기계공학과 아라이 마사유키 교수, 역시 TUS 소속 무라마츠 토시카즈씨, 기계공학과 이토 키요히로 박사로 구성된 연구진 일본 스와이과대학 전기공학과가 일본 TOCALO Co. Ltd.의 용사 기술 개발 연구소와 협력하여 LDED를 이용한 수리 기술을 개발했습니다. "우리 기술을 사용하면 금속 구조물의 표면 형상을 현장에서 완전히 복원할 수 있으며, 수리에 필요한 금속 분말의 폐기도 크게 줄일 수 있습니다. 그러나 이 기술을 산업계에 널리 적용하려면 최적의 성형 조건이 필요합니다. 산업은 지금까지 시행착오 과정을 통해 결정되어야 했습니다."라고 손상 역학 및 수리 기술 연구에 적극적으로 참여한 아라이 교수는 설명합니다.

2022년 11월 23일 Journal of ThermalSpray Technology에 게재된 최근 기사에서 연구원들은 사망-탄생 알고리즘을 사용하여 금속 분말 증착 영역을 자동으로 생성하여 생산을 최적화하는 데 필요한 추측을 제거하는 LDED의 수학적 모델을 고안했습니다. "증착영역을 구성하는 적층요소에 열복사-열전도 모델과 점가소성-열가소성 구성모델을 적용하여 금속분말 증착층의 용융에서 응고까지의 광범위한 상태 변화를 충실하게 시뮬레이션할 수 있습니다. . 이러한 모델을 유한 요소 해석 프로그램에 통합함으로써 우리는 이전에 사용된 적이 없는 새로운 가공 해석 시스템을 개발했습니다."라고 Arai 교수는 말합니다. 연구팀은 복원 과정을 수치적으로 시뮬레이션하여 성형 공정 조건, 온도 분포, 변형 상태, 잔류 응력 분포를 사전에 예측하고 실험을 통해 결과를 검증했습니다. 그들은 증착된 층의 잔류 응력이 기존 수리 공정을 통해 얻은 것보다 훨씬 낮다는 것을 발견했습니다.

이 새로운 3D 가공 수치해석 시스템은 수리할 부위의 금속 융합을 기반으로 한 기존 핵심 가공 기술의 디지털 트윈이다. 여기서 개발된 수치해석 방법은 발전소 순환펌프에 사용되는 블레이드 표면의 캐비테이션 박화 수리 계획, 박육화 수리 후 잔류 변형을 줄이는 방법 고안 등 향후 다양한 산업 응용에 응용될 수 있을 것이다. 가스 터빈의 로터 블레이드 끝. 수치 가공 분석 시스템을 통한 자동화 기능과 공정 조건의 사전 예측을 통해 LDED 수리 기술을 통한 3D 금속 적층 금속 제조를 더욱 효과적으로 만들고 효율적인 자원 관리를 통해 지속 가능성을 향상시킵니다.