北京理工大学が3Dプリントしたモリブデンイオン推進装置部品

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

北京の研究者たちは、モリブデン部品を付加的に製造することでイオン光学系を特性評価するより良い方法を模索している。彼らの研究結果は最近、「イオンスラスタグリッドおよびガード電極用 3D プリントモリブデン」という論文に掲載されました。

イオンスラスタの主な構成要素はイオン光学系とプロテクターであり、光学系はエンジンの形状において重要な役割を果たします。しかし、侵食によりイオンスラスタの寿命が制限されます。プロテクターの目的は、中空陰極を「イオン衝撃」から保護して陰極放電を可能にすることであり、必要な電極を作るために通常は金属と炭素材料が使用されます。モリブデンはイオン光学や保全製造でよく使用される金属材料です。
SLM マシンのビルドチャンバー内には、組み立てピストン (左) と粉末供給ピストン (右) があり、その上にはすでに金属粉末が散布されています。印刷プロセスが開始されると、すべての粉末が粉末供給ピストンにロードされ、その表面は平らにされ、ビルドプレート上のビルドピストンと位置合わせされます。

研究者らは次のように述べている。「熱膨張係数（CTE）がゼロに近く、モリブデンよりもスパッタリング収率が低い炭素系材料の中では、グラファイトが価格が安く、製造方法がよく理解されていることから従来の選択肢となっているが、重要なスラスタに搭載されたイオン光学システムでは、熱分解グラファイトや炭素-炭素複合材料も何度も使用されている。」

北京理工大学は、イオン光学システムの製造を簡素化するために、電気スラスタ部品用のモリブデンの3Dプリントを中心とした研究を実施しました。これは成功しており、まだ開発段階にあり、これまでにいくつかの健康な電極セットが生産されています。研究者らは、主に金属印刷におけるその機能のため、また特に航空宇宙用途において提供できる精度レベルのため、このプロジェクトに選択的レーザー溶融法 (SLM) を選択しました。一般的に使用される金属材料はチタン、アルミニウム、ステンレス鋼です。

北京理工大学の研究プロジェクトでは、付加製造イオン光学の概念をさらに調査するために、以前に使用されたチタン製の 3D プリントイオン光学部品をいくつか作成しました。別の研究では、エネルギー密度を測定しました。これには以下が含まれます。
レーザー出力
レーザースキャン速度
ハッチ間隔
層の厚さ

モリブデン部品は SLM を介して印刷され、研究が進むにつれて、イオン光学材料を使用してテストするために、研究室のイオン源にそれらを取り付けることにしました。

「スクリーンと加速器グリッドの複数のセットが異なる製造プロセスで印刷され、出力が研究され、SLM 装置が必要な厚さの光学部品を製造し、アパーチャアレイを正しく配置できることを確認しました。グリッドを検査した結果、設計要件を満たしていることがわかりました」と著者らは述べています。

研究者らは今のところ課題は生じていないと述べているが、SLM による 3D プリンティングはまだ開発段階にある。研究者らは、光学系もホルダーも「特別に必要な部品」ではないため、SLM モリブデンが固体金属と同じ機械的特性を提供する必要はないと述べている。

SLM 製造プロセスの最後には、いくつかの立方体サンプルに加えて、4 セットのスクリーンと加速器グリッドがありました。製造が完了した後、部品は未焼結粉末に囲まれており、これは取り除かれて次の工程で使用されます。

「結果は、準備プロセス中に適用されたエネルギー密度が最大エネルギー密度、つまり約 300 Jmm-3 に近い場合、SLM モリブデンの機械的特性と熱的特性の両方が固体金属の特性に近づき、耐火材料を生成することを示しています。この事実は、エネルギー密度の増加とともに減少する生成された多孔性に関係しています」と研究者は結論付けました。選択的レーザー溶融材料のスパッタリング侵食挙動はまだ評価されていませんが、積層造形部品が実際の電気推進用途に適合する前に研究する必要があります。

ビルドプレートの下部領域に対するスキャンシステムバイアスの影響。プレート下部に割り当てられたグリッドには、レーザーによって提供された過剰なエネルギーにより焼けた領域が現れます。

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