【論文】SLM金属3Dプリント部品の延性と靭性を高める方法

2018年4月13日、Antarctic Bearは海外メディアから、シンガポールの研究チームが最近、SLM（選択的レーザー溶融）3Dプリント技術に関する高度な研究を行ったことを知りました。これらの研究結果は、金属AMプロセスを使用した製造プロジェクトにとって非常に貴重なものとなる可能性があります。研究の結果は、NPG aisa Materials誌に掲載された「選択的レーザー溶融3Dプリントステンレス鋼316Lの強度と延性の強化」と題された論文に概説されています。著者は、Zhongji Sun、Xipeng Tan、Shu Beng Tor、Chee Kai Chua です。

エンジニアは、SLM 技術の効率を向上させる革新的な方法を見つけるために、さまざまな種類のレーザーを調査し、粉末床と溶融プロセスの特定の幾何学的特徴をモデル化して測定しました。研究者たちは、金属 AM 部品の延性と靭性は結晶構造を最適化することで向上できることを発見しました。

選択的レーザー溶融技術では、デジタル 3D モデルで事前にプログラムされたレーザービームを使用して金属粉末層の特定の領域を溶融し、金属粒子を特定の形状に融合します。 3D プリント技術は、過度の労力やツールコストをかけずに、単一の段階で複雑な形状を自動的に生成できる可能性があるため、高く評価されています。

SLM は、解像度が高く、結果として得られる部品の強度が高いため、同様の金属 AM プロセスよりも優れています。 SLM 3D プリンティングは他の技術に比べて大きな利点があるにもかかわらず、延性と靭性の点ではまだ改善の余地があります。 SLM で製造された部品は、内部の多孔性、異方性、融合欠陥の欠如などの問題により、強度はあるものの過度に脆くなる可能性があり、その特性を改善するには、多くの場合、大規模な後処理が必要になります。何年もの間、エンジニアたちは金属 3D プリントにおける強度と靭性のトレードオフを解決しようと努めてきました。

この研究プロジェクトでは、SLM 3D プリンティングを使用して製造された部品の微細構造を研究することで、この問題の解決を目指しました。彼らは、<011> と、より一般的な <001> と呼ばれる 2 つの異なる結晶構造が観察されることを発見しました。前者はより強靭で延性の高い部品を生産できます。

SLM 3D プリント部品に変形力が加えられると、結晶構造を変形させる 2 つの異なるメカニズムが存在します。 1 つは転位滑りと呼ばれ、もう 1 つは変形双晶と呼ばれます。変形双晶形成は延性と靭性の点で好ましいメカニズムであり、<011> 構造の部品ではこのメカニズムがより頻繁に現れます。

研究者たちは、溶融池の形状と挙動の複雑なシミュレーションを使用して、望ましい結晶構造を実現するためのさまざまなアプローチを検討しました。研究者らは、レーザー出力が高ければ高いほど、溶融プールが短く深くなるのと同様に、構造が改善される可能性が高いことを発見した。

△異なるレーザー光源を使用した溶融池。すべての画像、出典：NPGアジアマテリアル

△ 380Wおよび950Wのレーザー出力でSLMを使用して構築されたSS316Lサンプルにおける<001>および<011>結晶構造の形成

研究者らは、工業用途で一般的に使用される海洋グレードのステンレス鋼 316L と SLM 3D プリントを利用して、その場で結晶構造を調整し、特性を向上させることができました。 <011> 結晶構造で設計された部品では、延性と靭性のレベルは 40% にも達します。

さらに、スキャン戦略も結果に一定の影響を与えます。より技術的な詳細については、元の論文をお読みください。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41427-018-0018-5

出典: 3ders

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