研究者らは、レーザー積層造形におけるナノテクスチャ粉末の高吸収性の利点を確認した。

この投稿は warrior bear によって 2024-9-7 21:04 に最後に編集されました

2024年9月7日、アンタークティックベアは、スタンフォードナノシェアリングファシリティ（SNSF）とローレンスリバモア国立研究所（LLNL）のアメリカ人研究者が、レーザー粉末床溶融結合（LPBF）によって製造されたナノテクスチャ改質銅、銀、タングステンなどの粉末の高吸収率の利点を実証したことを知りました。
エッチング前後のテクスチャ粉末の表面トポグラフィーの変化。 (A) エッチングされた銅粉末の 3D 再構成画像処理。エッチング後の表面形状を示しています。（B）購入した（対照）粉末（Cu00）。粉末粒子は1時間（Cu01）、5時間（Cu05）、10時間（Cu10）エッチングされた。 (F～I) エッチング時間の経過に伴って特徴サイズが変化し、徐々に粗くなる特徴を示す粉末表面の高倍率画像。（J）購入したAgCu粉末とエッチングしたAgCu粉末、および（L）購入したW粉末とエッチングしたW粉末についても同様の結果が示されています。 (N～Q) (J～M)の粉末表面の高倍率画像。
関連研究は、科学誌「サイエンス・アドバンス」に「付加製造のための高吸収性ナノテクスチャ粉末」と題する論文として掲載された。このプロジェクトは、国立科学財団と米国エネルギー省の支援を受けた。

論文リンク: https://science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0003
金属付加製造（AM）は革新的なプロセスですが、銅、銀、タングステンなどの金属は反射率が高いため、印刷が困難です。これらの金属は、レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) プロセス中に十分なレーザーエネルギーを吸収できないため、エネルギーの使用効率が悪くなり、部品の品質が低下し、電力要件が高くなります。しかし、ナノテクスチャ金属粉末を使用した新しい改質プロセスは、粉末の吸収を大幅に増加させ、積層造形の効率を向上させることで、これらの課題を克服することができます。
△テクスチャードパウダーの吸収率向上に関する実験およびシミュレーション結果。 (A) 175 W および 656 mm/s で実行された熱量測定実験からの代表的な時間と温度のデータ。データは、エッチング粉末のピーク基板温度が購入した粉末に比べて上昇したことを示しました。挿入図は、その場熱量測定実験のセットアップを示しています。 (B) 購入した粉末 (青) とエッチングされた銅粉末の有効吸収率。レーザー出力 175 W、スキャン速度 100 mm/s と 656 mm/s の 2 種類。両方のスキャン速度で、購入した粉末に比べてエッチングされた粉末の有効吸収率が増加していることがわかります。 AgCu および W の購入時の粉末とエッチングされた粉末は同様の結果を示しました。 (C) EMシミュレーションに使用したサンプル粒子の断面。 (D) 正規化された磁場と (E) 表面溝内の局所的な磁場を示す電界強度。 (F) レイトレーシング計算に使用される代表的なシミュレーション領域。光線の色は各光線の反射回数を示します。入射光線の値は 0 です。粉末粒子表面の赤い点は、オーバーレイ表面積分率 ϕ = 0 における対応する値に正規化された、吸収が強化された領域を示しています。
銅や銀などの金属はレーザーエネルギーの多くを反射し、適切な溶融に必要な熱の局在化を減少させます。タングステンなどの耐火金属は融点と熱伝導率が高く、冷却中に割れが生じます。これらの金属を印刷する試みでは、通常、レーザー出力の増加や合金元素の追加が必要になります。しかし、これらの方法はコストがかかり、材料の特性を低下させ、印刷装置を損傷する可能性があります。
ナノテクスチャーパウダーとは？
ナノテクスチャ粉末は、表面にナノスケールの溝を持つ改質金属粉末です。これらの溝は化学エッチングを使用して作成され、表面積が増加し、レーザーと粉末間の相互作用が強化されます。これにより、材料の化学組成を変えることなく、レーザーエネルギーの吸収率を大幅に高めることができます。
エッチングプロセスでは、金属粉末を溶液に浸して表面にナノスケールの特徴を作成します。たとえば、塩化鉄 (FeCl₃) 溶液を使用して銅粉をエッチングすると、エッチング時間に応じて表面粗さが異なる粉体が生成されます。
ナノテクスチャパウダーの吸収性の向上は、主に 2 つの要因によるものです。 1 つはプラズモン共鳴です。ナノスケールの溝が光エネルギーを集中させ、局所的な加熱と吸収の増加につながります。もう 1 つは多重散乱イベントです。テクスチャのある表面ではレーザーエネルギーが複数回反射され、全体的な吸収が増加します。
積層造形におけるナノテクスチャ粉末の利点<br /> ナノテクスチャ粉末により、銅やタングステンなどの金属を、大幅に低いエネルギー密度で印刷できるようになります。たとえば、純銅は、従来の方法よりもはるかに低い 83 J/mm³ のエネルギーで 92% の相対密度で印刷できます。
レーザー出力が低い場合、ナノテクスチャ粉末の吸収が強化され、部品の品質が向上し、欠陥が削減されます。このプロセスでは後処理の必要性も最小限に抑えられるため、コスト効率も向上します。
△ テクスチャ粉末を使用した銅の低エネルギー密度印刷と構造例。 (A) SS316、Ti64、Al合金などの印刷しやすい材料は、低エネルギー密度（Q≤80 J/mm3）を使用して、最大相対密度（ρ0.99）で印刷できます。我々は、高吸収性の Cu05 を使用した以前の研究と比較して、銅処理条件を低いエネルギー密度まで押し下げる能力を実証しました。網掛け部分はデータの質的グループ分けを示しています。 (B) エネルギー密度の関数としてのタングステンシリンダープリントの押込み硬度。ナノテクスチャ W プリントの硬度は約 5 GPa で、これは他の付加製造された純粋な W で測定された値と似ていますが、粉末を 200 ℃ に予熱する必要はありません (図の凡例を参照)。 (CおよびD) 87 J/mm3でCu05粉末を使用して印刷された八重格子および三重周期の最小表面。 (E) 400 J/mm3で印刷されたオクテットAgCu。 (F) 725 J/mm3でW01を使用して印刷されたオクテットW構造。スケールバー、10 mm。
この方法は銅、銀銅合金、タングステンにうまく適用されており、反射率が高く耐火性の高い金属の広範囲に渡って適用できることが実証されています。
研究者らは、ナノテクスチャ銅粉末を使用することで、従来の方法よりもはるかに低いエネルギーレベルで高密度の部品を実現しました。 100 W、300 mm/s では相対密度は 92.6% に達しますが、テクスチャのない粉末の相対密度は 85.6% です。タングステンの場合、ナノテクスチャ粉末はより低いレーザー出力でうまく印刷できるため、高密度の部品と改善された機械的特性が得られます。これは、高融点金属の印刷における画期的な進歩となります。

研究者らは、レーザー積層造形におけるナノテクスチャ粉末の高吸収性の利点を確認した。

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