高出力レーザーダイオードは金属 3D プリントの残留応力を 90% 削減できます。

3D プリントでは、加熱された材料の膨張と冷たい材料の収縮により、プリントプロセス中に部品に残留応力が蓄積され、部品を変形させたり、特に金属の場合、部品を弱めたり、部品をバラバラにしたりする亀裂を引き起こしたりする力が生じることがあります。ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）とカリフォルニア大学デービス校の研究者は、レーザーダイオードを使用してこの問題に取り組んでいます。ダイオードは、LLNL の National Ignition Facility (NIF) から借りた高出力レーザーで、構築プロセス中に印刷層を急速に加熱します。この研究は Additive Manufacturing 誌に掲載されました。

レーザー粉末溶融床金属 3D プリントビデオ https://v.qq.com/x/page/y0896kuniup.html 残留応力 https://v.qq.com/x/page/z0896dw27dv.html
この技術により、研究者は温度勾配（極端な高温と低温の差）を減らし、冷却速度を制御できるようになり、金属 3D プリントされたテスト部品の有効残留応力を 90 パーセント削減できました。「金属では、こうした応力を克服するのは本当に難しい」と論文の筆頭著者であるジョン・ローリング氏は言う。「我々は、残留応力を再分配するためにスキャン戦略を変えるために多くの研究を行ってきたが、基本的なアプローチは、部品を製造する際に残留応力を排除し、こうした問題が起こらないようにすることだ」この方法を使用すると、残留応力を効果的に除去できるため、構築プロセス中にコンポーネントの故障が発生しなくなります。

この研究のために、LLNLのエンジニアであり共同筆頭著者のウィル・スミス氏は、レーザー粉末床溶融結合（LPBF）プロセスを使用して、316Lステンレス鋼から小さな橋のような構造物を製作した。まず各層を硬化させてから、ダイオードで表面を照射します。最初は最大出力で照射し、その後 20 秒かけて急速に強度を下げていきます。その結果、表面温度が約 1,000 度 (1,832 度) に達するため、各層ごとに部品を炉に入れるのと同じ状態になります。完成品は脚が太く張り出した部分が細いため、研究者は脚の1本を切り落とすことで、弱い張り出した部分がどれだけ動くかを分析できる。

残留応力がどの程度緩和されるかを測定するために、ダイオードを使用するとブリッジがたわまなくなります。これらの部品の製造は、通常の金属 3D プリンターと似た仕組みだが、この研究で使用された機械の革新性は、より広い領域にレーザーを照射して部品を後加熱する二次レーザーを使用している点だ。このレーザーは温度を急速に上昇させ、その後、制御された方法でゆっくりと冷却する。ダイオードを使用すると、オーブンで部品を焼鈍する従来の方法と比較して、残留応力が減少する傾向があることがわかりました。これは素晴らしい結果であり、この技術がいかに効果的であるかを示しています。このメソッドは以前のプロジェクトからフォークしたものです。

このプロジェクトでは、レーザーダイオード（NIF でレーザー光を滑らかにするために開発）を使用して、金属の全層を一度に 3D プリントしました。このアプローチは、スキャン戦略の変更や加熱ビルドプレートの使用など、金属部品の残留応力を軽減するための他の一般的な方法よりも優れています。この方式は上から加熱するため、部品の高さに制限はありません。研究者らは今後、加熱サイクルごとの層数を増やして残留応力を同程度まで低減できるかどうかを検討し、より複雑な部品を試し、より定量的な手法を使用してプロセスをより深く理解しながら、さらなる研究を進める予定である。この技術はスケールアップ可能です。
△図a) ダイオードアニールシステムの概略図。 b) a) の破線の詳細線図。ビルドプレートに近いレーザースキャナーとダイクロイックミラーを示しています。 c) 研究用に構築された 1 インチのビルドプレートに取り付けられたブリッジの画像。使用された 2 つのマスク形状が重ねて表示されています。 d) グラフは、ダイオードがアニールされるにつれてダイオードの電力が低下することを示しています。

△図a) 異なる実験による残留応力の解放。各データポイントは、同じ条件を使用して構築された 3 つの独立した橋の平均です。表示されるエラーバーは 1 標準偏差です。炉で焼鈍したデータ（3 つの独立したブリッジから測定）は破線で示され、エラーバーは色付きの帯で示されます。 b) ダイオードアニール処理の測定温度（1.83W/mm2）。このグラフは、橋の垂直方向に積分された平均温度を示しています。黒い破線は、図3に使用された測定領域の位置を示しています。白い破線はブリッジ部分の位置を示しています。橋は 45 度の角度で見られるため、橋の長さが短く見えることに注意してください。

図: オーバーハング部の 0.5 mm 厚の 2 x 2 mm ブリッジ (a) と 1.5 mm 厚の 2 x 2 mm ブリッジの中心 (図 2b の黒い破線) から測定した温度。最初のピークはレーザーが通過することによって生じます。破線は、各実験で使用されたダイオードの電力密度分布を表し、右軸にプロットされています。温度測定誤差は約 25°C (控えめな推定値) です。

△図 a) ダイオードなしの EBSD 結晶方位マップ、b) 2.22W/mm2 ダイオードアニール、c) 1000℃ 炉アニールブリッジ。 d) 粒子サイズの分布はビルド間で同等です。 a) の挿入図は、FCC 材料の標準的な配向三角形を示しています (微細構造はオーステナイト系ステンレス鋼で構成されています)。

現在は比較的狭い範囲で計画が進められているため、改善の余地がまだ多く残されています。ダイオードレーザーを追加することで、より大きな印刷領域を持つシステムに統合する場合に、加熱領域を増やすことができます。さらに重要なことに、研究者はチタン合金 (Ti64) の相変態の制御を研究します。通常、Ti64 を使用して構築する場合、相変化によって金属が非常に脆くなり、部品にひび割れが生じます。研究者が部品をゆっくり冷却することでこの変化を避けることができれば、航空宇宙基準を満たすほど材料を延性化できる可能性がある。

これにより、レーザー粉末床溶融中にダイオードのインサイチュアニーリングによって残留応力を除去できることが実証されました。材料の表面温度をその場で制御することにより、積層造形中に残留応力を効果的に低減できます。 316L ステンレス鋼のブリッジ構造では、結晶粒の成長や再結晶化がなく、凝固構造にわずかな変化しか見られず、残留応力が 90% 減少しました。アニーリング中に到達するピーク温度は、アニーリング温度での滞留時間よりも大きな影響を与えることが判明しました。この方式は、ダイオードのインサイチュアニーリングプロセスの頻度（つまり、加熱サイクルあたりの層数）、電力プロファイルの傾斜、およびダイオード光強度の空間分布を最適化することでさらに改善できます。このアプローチは、高度に関係なく、減圧後の処理を必要とせずに、ストレスのないコンポーネントを直接製造することにより、LPBF 中のリスクを軽減するために使用できます。

Boco Garden | 研究/出典: ローレンス・リバモア国立研究所参考ジャーナル「Additive Manufacturing」 DOI: 10.1016/j.addma.2019.05.009 全文 https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860419300867

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