研究者らが金属3Dプリントにおける欠陥形成を予測する方法を発見

3D 印刷プロセス中に、3D プリンターに供給された金属粉末内にガスが閉じ込められると、小さな空気ポケットが発生する可能性があります。これらの領域は、周囲よりも密度が低く弱いスイスチーズのような構造をしており、ひび割れやその他の破損につながる可能性があります。

カーネギーメロン大学と米国エネルギー省（DOE）のアルゴンヌ国立研究所の研究チームは、これらのポケットを特定し、その形成を予測する方法を開発した。この情報は3Dプリントのプロセスを大幅に改善する可能性があり、その研究は先週、サイエンス誌に掲載されました。
原著論文: http://science.sciencemag.org/content/363/6429/849

「この論文の研究は、機械の品質向上と制御の向上につながるだろう」と、カーネギーメロン大学の材料科学・工学教授で論文の著者でもあるアンソニー・ロレット氏は語った。「多くの企業にとって、付加製造が本格的に普及するには、完成品の一貫性を向上させる必要があります。この研究はその方向への重要な一歩です。」

科学者たちは、エネルギー省科学局ユーザー施設であるアルゴンヌ国立研究所の先端光子源（APS）で極めて明るい高エネルギーX線を使用し、レーザーを使用して材料粉末を溶かして融合させるレーザービーム融合（LPBF）プロセスの超高速ビデオと画像を撮影した。

レーザーが粉末の各層をスキャンして金属を溶かし、文字通りゼロから完成品を作ります。これらの層内に小さな空気ポケットが閉じ込められると、欠陥が形成されます。これらの欠陥は、最終製品に亀裂やその他の故障を引き起こす可能性のある欠陥につながる可能性があります。

これまで、製造業者はレーザーが金属に孔を作る仕組みを完全には理解していませんでした。しかし、彼らは、欠陥は金属粉末の種類かレーザーの強度にあると考えている。その結果、メーカーはさまざまな種類の金属やレーザーを使用して試行錯誤しながら欠陥を減らすよう努めてきました。

実際、研究では、レーザーであろうと金属であろうと、プロセスのほぼすべての条件下でこれらの蒸気低下が存在することが示されています。

「私たちはベールを剥ぎ取って、実際に何が起こっているのかを明らかにしているところです」とロレット氏は言う。「ほとんどの人は、金属粉末の表面にレーザーを照射し、光が材料に吸収され、金属が溶けて溶融池になると考えています。しかし実際には、金属に穴を開けているのです。」

アルゴンヌ国立研究所の先進光子源施設。（画像提供：カーネギーメロン大学）
研究者たちは、世界で最も強力なシンクロトロン施設の一つを利用して、レーザーが金属粉末の層を通過したときに何が起こるかを観察しました。

完璧な条件下では、溶融池の形状は浅く半円形で、「伝導モード」として知られています。しかし、実際の印刷プロセスでは、通常は低速で移動する高出力レーザーが溶融池を特定の形状に変形させることができます。錠前の鍵穴のように、上部は丸くて大きく、下部には細い釘が付いています。この「キーホールモード」の溶融により、最終製品に欠陥が発生する可能性があります。

アルゴンヌ国立研究所のシンクロトロンで撮影されたこの画像は、金属 3D 印刷プロセス中に形成されるキーホール空隙を示しています。レーザー粉末床溶融結合中、3D プリンターは金属に穴を「開け」ます。（画像提供：カーネギーメロン大学）

「この研究に基づいて、キーホール現象は付加製造に使用される粉末よりも多くの点で重要であることが分かりました」と、共同筆頭著者の一人であり、最近カーネギーメロン大学を卒業したロス・カニンガム氏は述べた。「私たちの研究は、キーホールにつながる要因を予測できることを示しており、それは、それらの要因を切り離してより良い結果を得ることもできることを意味します。」

研究により、金属を沸騰させるほど高い一定のレーザー出力密度に達すると、鍵穴が形成されることがわかった。これは、積層造形プロセスにおけるレーザー焦点の決定的な重要性を反映しており、これまであまり注目されてこなかった要素だと研究チームは述べている。

「アルゴンヌで開発された特殊な機能のおかげで、キーホール現象がこれほど詳細に観測されたのは初めてだ」と、アルゴンヌの物理学者で論文の著者でもあるタオ・サン氏は述べた。「もちろん、APS の強力で高エネルギーの X 線ビームが鍵となります。」

研究チームは、この研究が積層造形機メーカーに機械の制御における柔軟性を高めるきっかけを与え、機械の使用法の改善が最終製品の大幅な改善につながる可能性があると考えています。

「3Dプリントは一般的にかなり遅いので、これは重要です」とロレット氏は言う。「数インチの高さの部品を印刷するのに何時間もかかります。その技術にお金をかけられるならそれでいいのですが、もっと改善する必要があります。」

出典: 3ders

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