[論文レビュー] A Review of the Anomalies in Directed Energy Deposition (DED) Processes and Potential Solutions

Michael Liu, Abhishek Kumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2020

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 97被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、歪み、孔隙、組成不均一性などの固有の異常を、部品、プロセス、材料、生産性、安全性、修復、機能勾配の分野に分類して、指向エネルギー堆積（DED）プロセスにおける内在的欠陥をレビューしている。包括的な文献レビューに基づき、原因を特定し、緩和戦略を提案することで、DEDの信頼性向上と主流製造業への導入を促進する基盤的ガイドとして機能する。

ABSTRACT

Directed Energy Deposition (DED) processes offer one of the most versatile current techniques to additively manufacture and repair metallic components that have generatively designed complex geometries, and with compositional control. When compared to powder bed fusion (PBF), its applicability and adoption has been limited because several issues innate to the process are yet to be suitably understood and resolved. This work catalogs and delineates these issues and anomalies in the DED process along with their causes and solutions, based on a state-of-the-art literature review. This work also serves to enumerate and associate the underlying causes to the detrimental effects which manifest as undesirable part/process outcomes. These DED-specific anomalies are categorized under groups related to the part, process, material, productivity, safety, repair, and functional gradients. Altogether, this primer acts as a guide to best prepare for and mitigate the problems that are encountered in DED, and also to lay the groundwork to inspire novel solutions to further advance DED into mainstream manufacturing.

研究の動機と目的

• 金属アディティブマニュファクチャリングにおける指向エネルギー堆積（DED）プロセスに影響を及ぼす主要な異常を体系的にリスト化・分析すること。
• 部品の整合性、プロセス制御、材料挙動、生産性、安全性、修復品質、機能勾配の複数の分野におけるこれらの異常に関する根本的要因を特定すること。
• 最新の最先端研究に基づく、既存の解決策と緩和戦略の体系的統合を提供すること。
• 研究者およびエンジニアがプロセス開発および産業的実装の段階でDED特有の問題を予測・防止・解決するために使用できる参考ガイドとして機能すること。
• DED技術における未解決の課題と知識の空白を浮き彫りにすることで、将来のイノベーションを刺激すること。

提案手法

• 2020年までに発表されたDEDプロセスに関する査読付き論文を対象とした体系的文献レビューの実施。
• 観察された異常を7つのテーマ的分類に分類：部品、プロセス、材料、生産性、安全性、修復、機能勾配。
• レビューされた文献からの実験およびシミュレーションデータを用いて、各異常の根本的要因を分析。
• 各異常がもたらす悪影響（例：孔隙が疲労寿命を低下させること）をマッピング。
• プロセスパラメータ最適化、インラインモニタリング、材料供給体の改善などの既存の解決策を統合。
• 識別された故障モードに基づき、プロセス選定、トラブルシューティング、DED用設計を支援する構造的フレームワークを提示。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 指向エネルギー堆積（DED）プロセスを用いた金属部品の品質および信頼性に影響を及ぼす主な異常は何ですか？
• RQ2 プロセスパラメータ、材料挙動、システムダイナミクスの観点から、これらの異常を引き起こす根本的要因は何か？
• RQ3 これらの異常は、機械的整合性、寸法精度、表面品質を含め、部品性能にどのように影響を及えるか？
• RQ4 DED特有の異常を緩和するための、現在最も効果的な解決策と制御戦略は何か？
• RQ5 これらの異常に対する体系的理解は、DEDを主流産業製造へと進展させる上でどのように支援するか？

主な発見

• DEDにおける孔隙の発生は、主に溶融プールの不安定性、ガスの閉じ込め、レーザー／アーク出力分布の不適切さに起因する。
• 熱的歪みおよび残留応力は、特に薄肉壁構造やオーバーハング構造において幾何的不正確さの主な要因である。
• 急速凝固および不均一な材料供給レートにより、組成セグリゲーションおよび微細組織の不均一性が生じる。
• プロセス内モニタリングの不備およびリアルタイムフィードバックシステムの欠如が、プロセスの不安定性および欠际の拡大に顕著に寄与している。
• 修復用途では、母材の希釈および修復領域における残留応力集中という独自の課題に直面する。
• 機能勾配部品は、熱膨張係数の不一致およびプロセス由来の残留応力により、界面割れおよび特性勾配に起因して脆弱である。