LLNLの研究者はレーザービーム成形を利用して金属3Dプリント時の特性を向上させる

LLNLの研究者はレーザービーム成形を利用して金属3Dプリント時の特性を向上させる
金属 LPBF 粉末床レーザー溶融 3D 印刷技術は、さまざまな用途で大きな可能性を秘めていますが、このプロセスにおける製品の一貫性を制御できないことが、生産分野への参入における大きな制限要因となっています。金属 LPBF 粉末床レーザー溶融 3D 印刷技術をラピッドプロトタイピングの考え方からラピッド製造へと進化させるには、加工技術に影響を与える要因を深く理解して、積層造形プロセスの制御を改善することが重要です。この目的のために、ローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) は、カスタマイズされたシミュレーション駆動型の光源を使用して伝導熱を制御できる、新しいアルゴリズム科学ベースの付加製造設計戦略の開発に取り組んでいます。

研究者らは「付加製造金属の微細構造制御のためのレーザー光源の空間変調」と題した論文で研究結果を発表し、LPBF 3D 印刷プロセス中に微細構造を制御するためにビームの楕円率を制御する方法を実証しました。

ビームの楕円率と微細構造<br /> 血管のバイオプリンティング、3D プリンティングを使用した反応性材料の制御、ナノ多孔質金の 3D プリンティング、金属 3D プリンティングの欠陥の研究など、ローレンス リバモア国立研究所 (LLNL) の科学者は、3D プリントされた材料を使った素晴らしい研究で知られています。


金属 3D プリントで最も一般的に使用される合金、たとえば 316L ステンレス鋼、Ti-6Al-4V などのチタン合金、インコネル 718/625 高温合金、Al-Cu-Mg-Sc-Si などのアルミニウム合金は、基本的に従来の製造プロセス用に開発されており、積層造形処理プロセス用に特別に開発されたものではありません。不適切な材料原料、微細構造の形成に影響を与える局所的な熱伝達イベントの制御不足、プロセス監視からのデータが限られているため、プロセス予測能力が不十分になります。

ローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) の研究結果によると、ビーム変調によって部位固有の微細構造制御が可能になり、これらの結果は溶融プールのダイナミクスと熱分布の有限要素モデリングによって説明できます。研究チームは、理論的には商業レベルで実現可能なシンプルなビーム成形光学系を使用しました。

したがって、この光学システムを使用して熱勾配を設計することにより、構築プロセス中にビーム形状を調整して特定の場所の等軸または柱状の粒子を制御することができます。研究者は、コンセプトレーザーの装置で処理された316Lステンレス鋼粉末でこのプロセスを実行しました。シングルトラックレーザー溶融実験では、316L ステンレス鋼基板が使用されました。チームは LPBF テストベッドで、600 W ファイバー レーザーのビームを 50 mm FL レンズを通して誘導しました。


研究者らは、LLNL の ALE3D 数値シミュレーション ソフトウェア ツールを使用して、現実的な粒子サイズ分布とランダム粒子パッキングをシミュレートし、次にレーザー光線追跡アルゴリズムを使用して、レーザーと実際の粉末床との相互作用をシミュレートしました。 3 次元モデルは、非構造化グリッド上で要素と有限体積の両方の定式化を使用するハイブリッド有限要素法によって解かれます。計算時間を節約するために、スキャン速度は1800 mm/s、エネルギー密度は61 J/mm3に設定されました。



LLNL の ALE3D コードを使用してレーザー モデルの相互作用をシミュレートすると、ビーム形状がトラックのマクロ構造とミクロ構造に与える影響を調べることができます。研究者らは、ビームの楕円率とは無関係に、「より低いレーザー出力での凝固は等軸結晶の形成に有利である」と結論付けた。一般的に、出力とスキャン速度が増加すると柱状粒子の濃度が増加し、ビームの楕円率を変えることで場所に応じた微細構造の制御が可能になります。さらに、交互の梁形状を使用した完全な構築により、さらに複雑な微細構造が可能になります。

研究者らはまた、ガウス分布と楕円分布のレーザー強度分布が単一トラックの微細構造に与える影響を研究した。レーザー加熱が熱伝導モードで発生すると、楕円形の強度スポットによって、円形プロファイル スポットよりもはるかに広いパラメーター空間にわたって等軸または混合等軸柱状粒子が生成されます。これは、一定のレーザー出力とスキャン速度を維持しながら、ビームの強度と空間プロファイルを変更することで、粒子の形態を調整できることを示しています。

出典: 3Dサイエンスバレー
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