Low-density foam metal fabrication based on net-zero gravity process

本研究は，多孔質構造をもつポーラス金属材料をより低密度に製造する技術として，水平軸型回転機構と粉末床溶融結合ユニットの融合によって正味無重力場における材料生成法を確立することを目的としている．具体的には，先行研究において3Dプリンタの一方式である指向性エネルギー堆積法において，材料粉末に水素化チタンを混合することで，金属材料においてポーラス構造の生成に成功した一方で，重力によりポーラス構造が崩れてしまう傾向を確認したため，低重力場でポーラス金属を生成すれば，より低密度で均一なポーラス構造を得られると着想した．もう一つの先行研究では，遠心機を用いて人工的な高重力場における金属3D造形を行うことが高密度化につながることを示したことから，回転機構・レーザ走査機構の開発ノウハウを生かし，水平軸型回転機構の速度変調により，金属の溶融・凝固時間のみ造形空間を低重力化するアイディアに至り，実験的に提案機構を評価することを本研究の目標とした．３ヶ年計画の１年目にあたる2022年度では，粉末床溶融結合ユニットの開発をあとにまわし，水平軸型回転機構の構築を行った．とくに具体的な寸法設計に先んじて，物理シミュレーションに基づいて回転軸，水平軸に与える動作指令値を算出するアルゴリズムを構築した．回転半径を60 cmとした機構においては，1回転あたりに0.6秒以上，正味無重力場を実現できると予想され，0,2秒で材料の溶融凝固を行えることを確認している先行研究に基づけば，正味無重力場におけるポーラス金属生成が行える可能性が十分にあることを示した．現在，水平軸ステージの制御機構は完成しており，そこに搭載する回転軸機構の完成を急いでいる．

本研究は，多孔質構造をもつポーラス金属材料をより低密度に製造する技術として，水平軸型回転機構と粉末床溶融結合ユニットの融合によって正味無重力場における材料生成法を確立することを目的としている．具体的には，先行研究において3Dプリンタの一方式である指向性エネルギー堆積法において，材料粉末に水素化チタンを混合することで，金属材料においてポーラス構造の生成に成功した一方で，重力によりポーラス構造が崩れてしまう傾向を確認したため，低重力場でポーラス金属を生成すれば，より低密度で均一なポーラス構造を得られると着想した．もう一つの先行研究では，遠心機を用いて人工的な高重力場における金属3D造形を行うことが高密度化につながることを示したことから，回転機構・レーザ走査機構の開発ノウハウを生かし，水平軸型回転機構の速度変調により，金属の溶融・凝固時間のみ造形空間を低重力化するアイディアに至り，実験的に提案機構を評価することを本研究の目標とした．３ヶ年計画の１年目にあたる2022年度では，粉末床溶融結合ユニットの開発をあとにまわし，水平軸型回転機構の構築を行った．とくに具体的な寸法設計に先んじて，物理シミュレーションに基づいて回転軸，水平軸に与える動作指令値を算出するアルゴリズムを構築した．回転半径を60 cmとした機構においては，1回転あたりに0.6秒以上，正味無重力場を実現できると予想され，0,2秒で材料の溶融凝固を行えることを確認している先行研究に基づけば，正味無重力場におけるポーラス金属生成が行える可能性が十分にあることを示した．現在，水平軸ステージの制御機構は完成しており，そこに搭載する回転軸機構の完成を急いでいる．