SAMURAI - NIMS Researchers Database

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External affiliations

  • Shibaura Institute of Technology, Visiting professor

Research

Keywords

Additive Manufacturing, Laser Powder Bed fusion, Thermal Spray, Thermal Barrier Coatings

◎ Optimisation of the AM process and development of new heat-resistant materials suitable for AM
Research and development is being carried out on the powder-bed method using lasers and electron beams as a three-dimensional additive manufacturing (AM) process. The effects of heat source (laser and electron beam) power, scan speed and hutching width on microstructure and defect distribution, as well as on mechanical properties, are investigated to optimise the process for the target materials, including Ni-based alloys (Hastelloy X, Inconel 738LC) and titanium alloys (Ti-6Al-4V) and various other material systems are being studied.
 AM technology is expected to bring about a major innovation in manufacturing, but if materials developed for conventional processes are applied directly to AM, problems such as solidification cracking and ductility dip cracking occur. For this reason, it is important to develop new materials optimised for the AM process, and efforts are being made to develop new alloys suitable for AM, targeting Ni-based alloys.

◎ Development of multi-physics simulation technology for AM processes.
In AM, complex-shaped components can be manufactured without the use of mold, but the microstructure and mechanical properties of each part vary due to differences in heat dissipation behaviour depending on the shape. This can result in problems such as a high defect density or the formation of defects larger than a critical size in some areas. To suppress this, it is important to predict the temperature field during the AM process and establish techniques for predicting microstructures, defects and properties based on the temperature field. For this purpose, numerical simulation and data science are being used to develop the technology.

PublicationsNIMS affiliated publications since 2004.

Books
Presentations

Society memberships

日本金属学会, 日本溶射学会, 日本非破壊検査協会, Minerals,Metals & Materials Society, 日本鉄鋼協会

Awards

  • 日本鉄鋼協会 白石記念賞 (2024)
  • 日本非破壊検査協会 学術奨励賞(2018年度) (2017)
  • Outstanding Review Paper 2011, Journal of Thermal Spray Technology (2012)
  • Best Paper Award 2010, Journal of Thermal Spray Technology (2011)
  • Best Reviewer Award (2010年度) (2011)
  • Certificate of Merit, International Thermal Spray Conference 2008 (2008)
  • 日本溶射協会 奨励賞(2007年度) (2008)
  • Best Paper Awards, International Thermal Spray Conference 2007 (2007)
  • Certificate of Merit, International Thermal Spray Conference 2006 (2006)
  • Best Oral Presentation Awards, Asian Thermal Spray Conference 2006 (2006)
  • Best Paper Awards, Science and Technology of Advanced Materials (2000年度) (2001)
Research Center for Structural Materials
Title

マテリアルズインテグレーション(MI)による3D積層造形に適した新材料の開発

Keywords

3D積層造形,金属材料,耐熱材料,マテリアルズインテグレーション,DX,数値シミュレーション

Overview

従来技術では困難な複雑構造体を製造できる3D積層造形プロセスは、革新的な材料プロセスとして大きな注目を集めている。しかし、既存材料をそのまま適用した場合には、造形中の欠陥の発生や微視組織の違いにより、期待される特性が得られないという課題がある。また、一つの部材製造でも部位形状に依存して熱履歴が変化し、欠陥や組織状態のばらつきが生じる。このため、3D造形に適した新しい材料開発、形状を考慮したプロセス最適化技術の確立が必要である。そこで、数値解析やデータ科学を活用したマテリアルズインテグレーション技術による組織や特性の予測技術を開発し、3D造形に適した新規材料の実現やプロセス最適化の高効率化に取り組んでいる。

Novelty and originality

レーザ3D造形プロセスを対象とした、溶融凝固挙動、凝固組織予測、応力場予測など様々な数値解析技術の開発
MI(数値解析とデータ科学)の活用による新合金の探索・試作・検証
一つの造形体内で組成を傾斜させる造形技術の開発、ハイスループット合金探索への展開
材料設計、粉末試作、造形試験、評価、フィードバックまで、一気通貫した研究開発による、AMのための新材料開発の加速

Details

image

粉末床へのレーザ走査に対して、流体解析に基づく溶融凝固挙動の数値シミューレションを開発した。さらにマルチフェーズフィールド(MPF)法と連成した凝固組織予測技術を実現した。MPF計算結果、あるいは実験観察データに基づき、PC内で微視組織を再構築し、結晶塑性解析により局所的な応力-ひずみ特性を予測するモデルを開発した。また、熱力学計算などによるデータセット構築とMI技術を組み合わせ、造形中のき裂発生を抑制可能な新規Ni基超合金の設計を行った。粉末試作を行い造形試験を行ったところ、ベースとした商用合金と比較し、劇的にき裂発生を抑制することに成功した。MIによるAMに適した新材料開発の加速が期待できる。

Summary

レーザ3D造形プロセスの様々な数値シミュレーション技術を開発した。
MI(数値解析とデータ科学)の活用により、造形中のき裂発生を抑制可能な新規Ni基超合金の開発に成功した。
3D造形に適した新規材料の開発と、形状を考慮したプロセス最適化技術の高度化を進めていく。

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