UCLは磁場安定化を利用して3Dプリント部品の欠陥を減らす

この投稿は Bingdunxiong によって 2025-2-24 11:17 に最後に編集されました

2025年2月24日、アンタークティックベアは、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドン（UCL）とグリニッジ大学の研究者が、製造工程における欠陥を大幅に削減できる新しい3Dプリント技術を開発したことを知りました。この技術が広く普及すれば、人工股関節から航空機部品まで、さまざまな部品をより強く、より耐久性のあるものにすることができるだろう。

△関連研究は「レーザー溶接および積層造形中のピンホール不安定性の磁気変調」と題してサイエンス誌に掲載されました（ポータル）
磁場安定化技術により3Dプリント金属部品の品質が向上

この研究は、金属合金のレーザー 3D 印刷プロセスに関係する主要な力を、リアルタイムで、これまでにない詳細さで捉えた初めての研究です。研究チームは、シカゴの先進光子源（APS）シンクロトロンの高速シンクロトロンX線画像化技術を使用して、レーザービームと金属原料との複雑な相互作用を1000分の1秒未満で記録した。

このようにして、研究者たちは、レーザーが金属合金を溶かしたときに発生する蒸気が部品内に小さな鍵穴のような空洞を形成する仕組みと、これらの鍵穴が不安定になり、3Dプリント部品に欠陥が生じる原因を観察することができました。

その後、研究チームは、部品の成形プロセス中に金属合金に磁場を適用する製造戦略を検討しました。研究者らは、これによりレーザーが溶融金属に当たる領域が安定し、欠陥が減少する可能性があると推測している。実験結果によりこの仮説が確認され、適切な磁場を適用した後、印刷された部品の気孔形成が 80 パーセント減少しました。

UCL 機械工学部でこの研究を率いた Xianqiang Fan 博士は次のように説明した。「レーザーが金属を加熱すると、金属は溶けて蒸気が発生します。蒸気は煙となり、溶けた金属を押して J 字型のくぼみを形成します。表面張力によってくぼみに生じた波紋は底で途切れ、完成した部品に多孔性が生じます。このプロセスに磁場を適用すると、熱起電力によって誘発される流体の流れが多孔性を安定させ、より「I」字型になります。波紋が存在すると、末尾に途切れはありません。」

△3Dプリンターの金属合金プリンターの一般的なレーザーは激しく振動し、「J」字型のキーホールを形成しますが、これは不安定でしばしば崩壊し、空洞を残します（上）。適切な磁場が適用されると (下)、キーホールは比較的安定した「I」字型を維持し、隙間は 80% 小さくなります。
金属合金3Dプリントにおける磁場安定化技術の応用展望

レーザーベースの金属合金 3D 印刷プロセスでは、コンピューター制御のレーザービームが金属粉末の層を溶かして複雑な固体形状を構築します。この技術により、極めて複雑な合金部品の製造が可能になり、チタン製自転車部品から生体医療用義肢に至るまで、高価値製品に幅広く使用されています。

厚い層を素早く構築するために、レーザービームを人間の髪の毛ほどの太さに高度に集中させて溶融池を形成します。溶融池の前端近くに鍵穴型の蒸気窪みが形成されます。ただし、このキーホールは不安定になり、気泡が発生して最終的に部品に多孔性が生じ、印刷された部品の機械的耐久性が損なわれる可能性があります。

△初めて、金属合金のレーザー 3D 印刷に関係する主要な力が、これまでにない詳細さでリアルタイムに記録されました。この研究の主任著者であるロンドン大学ロンドン校機械工学部のピーターリー教授は、次のように述べています。「これらの部品のキーホール現象は何十年も前から知られていますが、その形成を防ぐ戦略は不明のままです。磁場を適用すると効果があることが時々わかっていますが、結果は再現性がなく、作用のメカニズムは議論の的となっています。この研究では、磁場ありとなしの製造プロセスをこれまでにない詳細さで毎秒 100 万フレーム以上を記録できました。私たちの研究結果は、熱起電力によってキーホールの多孔性を大幅に減らすことができることを示しています。実際には、これは、耐用年数が長く、航空宇宙からフォーミュラ 1 まで、安全性が重要となる新しい用途に拡大できる、より高品質の 3D 印刷部品を製造するために必要な知識が得られたことを意味します。」

この研究から得られた知見を実際の生産に適用する前に、製造業者は磁場を生産ラインに統合するためにいくつかの技術的な課題に対処する必要があります。著者らは、この移行には何年もかかるかもしれないが、その潜在的な影響は甚大なものになると主張している。

グリニッジ大学の研究主任著者であるアンドリュー・カオ教授は次のように説明しています。「私たちの研究は、この製造プロセスに関係する物理的力、特に表面張力と粘性力の複雑な動的関係を明らかにしています。磁場を加えると、この動的バランスが崩れ、電磁減衰と熱起電力が生じます。この場合、後者は製造プロセスを安定させるのに役立ちます。この強力な新しいツールを使用すると、原料やレーザービームの形状を変更することなく、溶融フローを制御できます。このツールを使用して、さまざまな最終用途向けの独自の微細構造を開発できることを非常に嬉しく思います。人工股関節の製造であれ、電気自動車のバッテリーパックの製造であれ、積層造形の改善により、より高品質の 3D プリント部品をより迅速かつ経済的に製造できるようになります。」

この研究は、英国工学・物理科学研究会議（EPSRC）と王立工学アカデミーの支援を受けて行われた。

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