画期的進歩：金属3Dプリント粉末はレーザー光を最大70％吸収し、LLNLの新しいエッチング技術は

2024年10月10日、アンタークティックベアは、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者と学術パートナーが金属付加製造の分野で画期的な進歩を発表したことを知りました。彼らは、金属粉末上にナノスケールの表面特徴を作り出すことで、3D 印刷プロセス中の光吸収を大幅に高める革新的な技術を開発しました。この技術は、銅やタングステンなどの反射率の高い材料の印刷効率と品質を向上させるために特に重要です。

△研究者らはナノエッチング技術により金属粉末の吸収率を70％向上させ、3Dプリントプロセスのエネルギー効率を最適化した。
技術研究開発の背景

3D プリント技術は製品の設計と製造プロセスに革命をもたらし、従来の方法では実現が困難だった複雑な形状やカスタマイズされたコンポーネントの製造を可能にしました。それにもかかわらず、レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 金属 3D 印刷技術が直面している主な課題は、一部の金属の反射率が高いことです。これにより、レーザーエネルギーの有効な吸収が制限され、印刷が非効率的になったり、プリンターが損傷したりする可能性もあります。

△この研究は、科学雑誌「Scientific Advisor」に掲載され、同誌9月号の表紙に「付加製造のための高吸収ナノテクスチャ粉末」と題して掲載されました。
この課題を克服するために、LLNL、スタンフォード大学、ペンシルベニア大学の科学者からなる国際研究チームが、独自の湿式化学エッチングプロセスを開発しました。このプロセスにより、従来の金属粉末の表面特性を変えることができ、ナノスケールの溝とテクスチャを作成することで粉末のレーザー光の吸収率が大幅に向上します。研究者らは、この技術により粉末の吸収率が最大70％向上する可能性があると指摘している。この進歩により、レーザー溶融プロセス中のエネルギー伝達がより効率的になり、印刷品質が向上し、エネルギー消費が削減されると期待されています。

△エッチング前後のテクスチャパウダーの表面形態変化
LLNLの革新的な表面処理方法

現在、標準的な市販のレーザーマシンでは、純銅金属の高品質な積層造形は実現できないと一般に考えられています。「私たちのアプローチは、従来の表面処理技術を組み合わせて吸収性を高めながら、銅の純度や、高い熱伝導性や電気伝導性などの重要な材料特性を損なうことを回避します」と、この研究の共同筆頭著者であるLLNLの材料科学者フィリップ・デポンド氏は述べた。

さらに重要なことは、レーザーと粉末の相互作用が溶融プール領域を超えて広がることを明らかにしたことです。これは LLNL で実行された高忠実度シミュレーションで実証されていますが、実験ではまだ詳細に説明されていません。私たちは、これらの相互作用の存在を実証するだけでなく、プロセスに対するそれらの潜在的な利点も実証します。

研究者らは、ウェットエッチング技術は単純だが、非常に効果的であると指摘した。研究チームは、銅やタングステンなどの金属粉末を、表面の物質を選択的に除去して複雑なナノスケールの特徴を形成し、粉末のレーザー光の吸収能力を高める特別に調合された溶液に浸した。エッチングされた粉末の表面特性を特徴付けるために、研究者らは、粉末粒子の詳細な 3D 表現を提供するシンクロトロン X 線ナノトモグラフィーなどの高度な画像化技術を採用し、ナノスケールの変更による電磁気的効果を分析し、正確にシミュレートすることができました。

研究チームは吸収率向上のメカニズムを実証するために広範囲にわたる実験を実施し、その原因を改良した粉末にあると結論付けた。 LLNL の先進製造研究所と MIRILIS レーザー材料相互作用研究所にあるカスタム LPBF システムを使用してプロセス最適化研究が行われ、最終的にバッチと複雑なサンプルの印刷が実現しました。

△ テクスチャ粉末の吸収促進の実験とシミュレーション
新しい技術により、純銅とタングステンの効率的かつ低コストな3Dプリントが可能に

チームの重要な発見は、比較的低いエネルギー入力で高純度の銅とタングステンの構造を印刷できたことです。銅の場合は 100 J/mm³ 未満で、高密度チタンとステンレス鋼合金の範囲に近い値です。タングステンの場合は約 700 J/mm³ で、従来の方法の約 3 分の 1 です。

「より広い視点から見ると、私たちのアプローチは、3D 印刷システム自体に妥協することなく銅を印刷することを可能にします」とデポンド氏は説明します。「さらに、プロセスパラメータウィンドウが広くなるため、より広範囲のスキャン条件を調査できます。これは、複雑な形状を印刷するために重要です。従来、銅やその他の反射率の高い材料を処理するために、いくつかの機械メーカーがまったく新しい機械を開発しました。これらの機械は従来の機械のほぼ 2 倍のコストがかかるため、これらの材料を印刷するための参入障壁は非常に高くなります。」

この研究の潜在的な応用は生産に大きな影響を与える可能性があります。研究者らは、印刷プロセスのエネルギー消費を削減することで、運用コストが削減されるだけでなく、製造プロセスの環境への影響も最小限に抑えられ、新しいグループの生産者にとって銅の3D印刷が可能になると指摘している。

「この手法により、レーザー出力が低い商用機械でも銅を印刷できるようになり、この技術がより身近になり、より幅広いコミュニティで利用できるようになる」とエネルギー安全保障プログラムのディレクター、ダン・フラワーズ氏は述べた。同氏は、この研究が業界に刺激を与え、先進的な製造業で銅をより幅広く活用するようになればと付け加えた。

「より効率的な銅印刷は、熱交換や触媒技術をサポートするだけでなく、数多くのクリーンエネルギーや脱炭素化技術も進歩させます」とフラワーズ氏は述べた。「LLNLコミュニティと私たちの低炭素エネルギーミッションは、この機能から恩恵を受けるでしょう。」

吸収率を高め、粉末のダイナミクスを改善することで、研究者は相対密度の高い高品質の印刷部品を製造することもできました。実験では、他の印刷された銅部品の半分以下のエネルギーで最大 92% の相対密度を達成し、より高いエネルギー入力では 99% を超える相対密度にも達し、さらに強力で耐久性のある金属部品を製造できる可能性を示唆しています。

次に、研究チームは、通常は溶解するのに大幅に異なるエネルギー入力を必要とする異なる材料間など、粉末要素の混合に対するナノテクスチャの影響を研究します。

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