ノースウェスタン大学とアルゴンヌ国立研究所は、X線を使用して指向性エネルギー蓄積を研究している

出典: Additive Light

3D プリントによって生成された構造は、実用的であることは言うまでもなく、魅力的で、具体的で、非常に示唆に富んでいます。それでも、一部のフィラメント、ソフトウェア、ハードウェアでは実現不可能と思われるため、このテクノロジーの背後にあるプロセスは少し困難だと感じています。また、3D プリントに非常に精通している研究者でさえ、特にレーザーと粉末の組み合わせを使用する場合、内部プロセスの一部で何が起こっているのかについて無知である可能性があると知ると、驚くかもしれません。

さらなる洞察を得るために、ノースウェスタン大学とアルゴンヌ国立研究所の研究者チームは、3D プリント後ではなく、プリント中に何が起こるかを研究し、その研究結果を「圧電駆動型指向性エネルギー堆積積層造形のその場高速 X 線イメージング」として発表しました。著者らは、歴史的に、内部プロセスを詳細に監視することは困難であったと指摘している。プロセスを中断すると、最終製品に悪影響を与える可能性があります。私たちは、AM における改善された戦略を見つけるために研究を進めながら、3D プリントと独自の材料を分析する研究者のさまざまな事例を追跡してきましたが、この研究は明らかに異なる焦点を持っています。

「高度な製造プロセスを監視して熱履歴、構造、性能の変化を評価することは、プロセス中に発生する物理現象と、AMに組み込まれた性能の閉ループ制御を理解する上で非常に重要です」と研究者らは述べています。

指向性エネルギー堆積は、加熱された粉末粒子が溶けて構造化された層を形成することに依存しています。この製造方法は、特にラピッドプロトタイピングやコンポーネントのメンテナンスの分野で人気が高まっています。利点としては、印刷されたオブジェクトの硬化がより速く、より良くなるほか、材料の種類や使用方法の柔軟性が挙げられます。

「しかし、粉末堆積とDEDにおけるそれらの相互作用の複雑さのため、個々の粒子が溶融プールと結果として生じる構造に与える影響を監視することは困難です」と研究者らは述べています。「この研究では、低コストの圧電駆動粉末供給システムを使用して、移動するレーザービームと相互作用する個々の粒子を堆積させました。これは、高速X線画像を使用して、エレクトロルミネセンス中のレーザーと物質の相互作用の基本物理を捉えるアプローチです。」

圧電性は多くの人にとって新しい用語ですが、圧力やその他の力に応じて電荷が放出される現象です。私たちは今年初め、圧電材料と、さまざまなセンサーやスマート材料を開発するための 3D プリントにおけるその可能性について調査を実施しました。この最近の研究では、研究者たちは、3D 印刷プロセス中にレーザーと粉末がどのように相互作用するかを詳しく知るために、X 線を使用して圧電指向性エネルギーを研究することに興味を持っていました。

この実験のために、チームは圧電駆動システムと必要なアルゴンガスを含む密閉チャンバーを設計しました。

「トリガーシーケンスは、粉末供給システム内の圧電素子の作動から始まります。圧電素子からの信号によりレーザーがオンになります。レーザーからの「オン」信号により、ガルバノメータースキャナミラーが移動してレーザースキャンが開始されます」と研究者らは観察システムについて述べています。「ガルバノミラーが、レーザービームを圧電駆動の粉末供給システムに合わせる特定の位置にあるとき、X線シャッターが開き、X線ビームがチャンバー内に入るようになります。」

圧電振動により、粉末はレーザービームとX線ビームが一直線に並ぶ領域に流れ込みます。流量を制御するための特定のパラメータは、圧電振動の周波数と電力を制御することによって確立されます。多孔性、飛散、および関連する粒子の放出を追跡して評価します。このような画像化実験を行うことの最終的な目的は、DED プロセスと関連する材料についてさらに詳しく知ることです。

「さまざまな DED 処理モードでのレーザーと物質の相互作用を示す高速 X 線画像は、熱、熱流体力学、熱力学モデルの検証に役立ちます」と研究者らは述べています。「重力下で粉末の質量流量が低い場合、レーザー誘起蒸気の煙が溶融プールから最大 10 m/s の速度で粒子を散乱させます。」

研究者らは、ほとんどのセンサーは十分なデータを提供しておらず、DED の急速な冷却プロセスを示すために必要な解像度を持っていないと指摘している。この研究では、多孔性の背後にあるいくつかの理由を特定することができましたが、粒子の巻き込みを理解するにはさらなる研究が必要であると指摘しました。

レーザービームに対する個々の粒子の軌道を制御することで、粒子が溶融プールにどのように入るかをより正確に観察できます。この研究は、粒子の流れを助けるために不活性キャリアガスが必要であることを明らかにしました。キャリアガスがなければ、ほとんどの粒子は溶融プールから散乱しますが、キャリアガスがあれば、粒子はレーザー誘起蒸気プラズマプルームを貫通できます。

「DED 処理におけるより代表的な現象を捉えるには、キャリアガスの圧力と速度の影響を調査する今後の研究が必要です。高解像度の熱モニタリングを組み合わせることで、溶融池の冷却、より具体的には凝固挙動をさらに理解するのに役立つ可能性があります。」

出典: Additive Light

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