[論文レビュー] A Review of Multi-material and Composite Parts Production by Modified Additive Manufacturing Methods

Maziar Toursangsaraki|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2018

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 156被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、1つの製造プロセス内で多様な材料を統合することにより、マルチマテリアルおよび複合材料部品の生産を可能にする、変更を加えた増加造造（AM）手法をレビューしている。材料の多様性を高めるプロセスの変更、統合設計による部品数の削減、複雑な部品における機能的性能と重量効率の向上を強調している。

ABSTRACT

Aside from the capability of additive manufacturing (AM) methods in fabricating components with complex geometries, two crucial potentials of this manufacturing process that are worth mentioning are its flexibility in being combined with other production methods as well as use of a variety of materials in a single production platform to make multi-material and composite products. Implementation of multiple materials in integrated structures has been shown to improve the functionality, weight reduction and, by merging the assembly and production into one stage, modify the manufacturing processes. Different approaches towards modification of AM processes aimed to reach multi-material or composite parts are being reviewed in this paper.

研究の動機と目的

• 増加造造（AM）をどのように変更すれば、機能性が向上したマルチマテリアルおよび複合材料部品を生産できるかを検討すること。
• 1つのAMプラットフォーム内で複数の材料を統合できるプロセスの変更を同定すること。
• マルチマテリアルAMが部品統合、重量軽減、製造効率に与える影響を分析すること。
• 材料適合性およびプロセス制御における現在の技術状態を評価し、主な課題を同定すること。
• 変更を加えたAM手法を用いた機能的でハイブリッド構造を有する部品を生産するための新規技術について包括的な概要を提供すること。

提案手法

• マルチマテリアルおよび複合材料部品の生産に焦点を当てた、変更を加えた増加造造プロセスの体系的レビュー。
• 従来のAMと二次的プロセス（材料の付加、後処理、イン・サイトでの材料ブレンド）を組み合わせたハイブリッドAM技術の分析。
• 二重ノズルシステム、マルチマテリアルノズル、および異なる供給材を用いた順次レイヤー法を含む、材料供給戦略の評価。
• マルチマテリアルAMにおける界面結合、寸法精度、機械的整合性に影響を与えるプロセスパラメータの検討。
• 金属、ポリマー、セラミックスなどの異種材料を1つの部品に統合した成功事例のレビュー。
• 材料の不適合、熱膨張率の違い、プロセスのスケーラビリティなどの技術的制限の評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 増加造造をどのように変更すれば、1回のビルドプロセス内で複数の材料を同時に付加できるか？
• RQ2 AMで作成された複合材料において、異種材料間の強固な界面結合を達成するための主な技術的課題は何か？
• RQ3 変更を加えたAMプロセスは、従来の製造方法と比較して、機能的性能の向上と部品数の削減にどのように寄与するか？
• RQ4 プロセスパラメータは、マルチマテリアルAM部品の機械的および熱的特性にどのように影響を与えるか？
• RQ5 産業的導入に向けたマルチマテリアルAMの材料適合性およびスケーラビリティにおける現在の制限は何か？

主な発見

• 変更を加えたAM手法により、機能的性能が向上し、組立工程が削減された複雑なマルチマテリアル部品の製造が可能になった。
• 金属、ポリマー、セラミックスなどの異種材料を1回のビルドプロセスに統合することが実証されており、設計の自由度と部品効率が向上した。
• 複数の部品を1つのAM製造部品に統合することで、顕著な重量軽減と構造的整合性の向上が達成された。
• 界面結合の品質は依然として重要な課題であり、特に熱膨張率や融解挙動に大きな差がある材料を接合する場合に顕著である。
• 二重ノズルおよびマルチマテリアル供給システムは、材料分布の制御と勾配特性の実現に有望である。
• 進展は見られたが、材料適合性、プロセス制御、スケーラビリティの課題が、マルチマテリアルAMの広範な産業的導入を制限している。