金属 3D プリント粉末のテクニカル指標を数秒で読み取る

文：深センマイクロナノ

新興製造技術として、3D プリンティングは近年急速に発展しています。しかし、工業用金属 3D プリントの分野では、粉末消耗品は依然としてこの技術の大規模応用を制限する重要な要因の 1 つです。現在、中国では金属3Dプリントに関する材料規格、工程仕様、部品性能規格などの業界標準や国家標準がまだ制定されていません。金属粉末に対する業界の評価指標には、主に化学組成、粒度分布、粉末の球形度、流動性、ゆるい密度が含まれます。その中で、化学組成と粒度分布は、金属3Dプリントの分野で金属粉末の品質を評価するために一般的に使用される指標であり、球形度、流動性、ゆるい密度は品質を評価するための参考指標として使用できます。

1. 化学組成: 金属粉末中の各元素の実際の質量百分率 (重量%)。

上記の表を例にとると、合金中の Al 元素の検出データは 6.25 であり、これは合金中の Al 元素の質量割合が 6.25% であることを意味します。他の元素の質量割合も同様に推測できます。現在、金属の化学組成を検出するために最も広く使用されている方法は、化学分析とスペクトル分析です。化学分析は化学反応を利用して金属の組成を判定し、金属の化学組成の定性・定量分析を実現できます。スペクトル分析は、高温・高エネルギー励起下で生成される金属中の各種元素の固有の特性スペクトルを利用して、金属の化学組成とおおよその含有量を判定し、一般的に金属の化学組成の定性分析に使用されます。上記の両方の方法では、専門的なテスト機器の使用が必要であり、専門のテスト機関の担当者が実行する必要があります。

ほとんどの鋳造金属および鍛造金属の化学組成には、金属の化学組成指標が適格かどうかを評価するための対応する業界標準または国家標準があります。しかし、金属3Dプリントに使用される粉末技術は斬新であり、業界には対応する業界標準や国家標準がありません。業界で一般的に認められている評価方法は、金属粉末に対応する鋳造標準を使用するか、この標準に基づいて指標要件を交渉して緩和することです。

金属 3D プリントでは、印刷プロセス中に金属が再溶融されるため、元素がガス状で存在し、空気穴などの局所的な欠陥を引き起こし、ワークピースの密度や機械的特性に影響を与える可能性があります。そのため、酸素含有量はさまざまなシステムの金属粉末にとって重要な指標です。業界では一般的に、この指標が 1500ppm (ppm: 100 万分の 1) 未満、つまり金属中の酸素の質量割合が 0.13% ～ 0.15% であることが求められます。航空宇宙などの特殊な応用分野では、顧客はこの指標に対してより厳しい要件を課しています。顧客によっては、窒素含有量指標の制御も要求しており、一般的には 500ppm 未満、つまり金属中の窒素の質量パーセントが 0.05% 未満であることが求められます。

2. 粒度分布：特定のサイズ範囲内の異なるサイズの金属粉末粒子の体積率の統計データ。このデータは正規分布しています。
上図を例にとると、金属粉末の粒度分布結果では、d(10)=17.290μmとなり、17.290μm未満の粉末の体積割合が10%以上であることを意味します。粉末のうち、３３．４７８μｍ未満のサイズの粉末の割合が５０％以上であり、５７．６６３μｍ未満のサイズの粉末の割合が９０％以上であることがわかる。

金属粉末の粒度分布はレーザー粒度分布計で分析できます。金属 3D プリントで一般的に使用される粉末の粒子サイズの範囲は、15 ～ 53 μm (微粉末) と 53 ～ 105 μm (粗粉末) です。この粒子サイズの範囲は、異なるエネルギー源を持つ金属プリンターによって分けられています。レーザーをエネルギー源として使用するプリンターは、焦点が細かく、細かい粉末をより簡単に溶かすことができます。この粒子サイズの範囲の粉末は流動性が良く、溶解しやすいため、15〜53μmの粉末を消耗品として使用するのに適しています。粉末の補充方法は、層ごとに粉末を敷き詰める方法です。プラズマビームをエネルギー源として使用するプリンターは、焦点がやや粗く、粗い粉末を溶かすのに適しています。53〜105μmの粉末を消耗品として使用するのに適しており、粉末の補充方法は同軸粉末供給です。

3. 球形度、嵩密度、流動性などの基準指標

球形度とは、金属粉末粒子が球形にどれだけ近いかを指し、通常は走査型電子顕微鏡 (SEM) によって定性的に分析されます。上の 2 つの図は、異なる金属粉末の SEM 形態写真です。上の図の粉末粒子の球形度は下の図の粉末粒子の球形度よりも優れていることがわかります。一般的に、球形度が高いほど粉末粒子の流動性が向上し、金属 3D プリント中に粉末を広げたり供給したりしやすくなります。

流動性とは、一定量の金属粉末粒子が、指定された開口部を持つ測定ツールを通過するのに必要な時間を指します。通常使用される単位は s/50g です。ホール流量計で測定できます。値が小さいほど、粉末の流動性が良好です。流動性は安息角によっても特徴付けられ、安息角とは、粒子が重力場内の金属粉末蓄積層の自由傾斜面上を滑り、静止状態にあるときに、重力と粒子間の摩擦が釣り合ったときに測定される最大角度を指します。これは金属粉末の流動性を試験する簡単な方法です。安息角が小さいほど、摩擦が小さくなり、流動性が向上し、粉末の広がりと供給が容易になります。

嵩密度とは、金属粉末を一定の体積内に直接広げて得られる粉末の質量であり、漏斗法で測定することができます。嵩密度は、補充プロセス中の粉末の圧縮度合いを特徴付けるための参照指標としてのみ使用されます。金属印刷の最終製品の密度への影響は不明です。

上記は、読者の参考のために深センマイクロナノアディティブテクノロジー株式会社が提供した、金属3Dプリント粉末の品質を評価するために業界で現在使用されている技術指標の紹介です。同社は上海大学やハルビン工業大学などの業界をリードする金属材料研究開発チームと提携し、球状粉末製造技術の開発と生産に取り組んでおり、チタン合金粉末、ニッケル合金粉末、ステンレス鋼粉末、アルミニウム合金粉末、金型鋼粉末など、さまざまな工業グレードの金属3Dプリント粉末消耗品の提供に重点を置いています。同社の製品は世界中で広く販売され、顧客から高い評価を得ています。

出典：深センマイクロナノ

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