【分析】高性能金属部品のレーザー積層造形技術の研究進展

【分析】高性能金属部品のレーザー積層造形技術の研究進展
この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-6-1 11:50 に最後に編集されました。

減算製造と比較すると、積層製造は通常、層ごとに積み重ねるプロセスです。材料を追加することで、3次元数学モデルから3次元物理モデルを直接取得するすべての製造技術の総称です。機械工学、CAD、リバースエンジニアリング、積層製造、数値制御、材料科学、電子ビーム、レーザーなどの技術を統合しています。設計アイデアを特定の機能を備えたプロトタイプに自動的、直接的、迅速かつ正確に変換したり、部品を直接製造したりできるため、新しい設計アイデアの部品の試作と検証を実現する効率的で低コストの手段を提供します。学術界ではこれを「付加製造」と呼び、一般の人々やメディアでは「3Dプリンティング」と呼んでいます。
AM テクノロジーには、次のような優れた機能があります。
（１）直接。原料の粉末と線材から直接成形することで、あらゆる複雑な立体部品の形状が可能となり、従来の鋳造、鍛造、溶接などの工程を直接省略し、粗加工工程も省略して直接微細加工に移行できます。これが AM 技術の最も重要な特徴です。
（２）速い。物流リンクが少なくなり、製造プロセスが減り、製造サイクルが速くなります。
（３）緑。 「直接」と密接に関連しており、中間プロセスが少なく、基本部品を繰り返し加熱および冷却することがないため、エネルギー消費が低くなります。
（４）柔軟性AM テクノロジーは設計者の想像力を最大限発揮させることができ、設計者はあらゆる構造の部品を自由に設計することができます。
（５）AM技術の発達により、従来の組立ラインと大規模工場の生産モデルをネットワーク化することが可能となり、デジタル化とインテリジェンス化によって製造業の変革が可能となった。したがって、この新しい技術は、直接的、高速、グリーン、柔軟、デジタル、インテリジェントという特徴を備えた AM 技術として説明されます。

2 つの代表的な LAM 技術の成形原理と特性 LAM 技術は、成形原理に応じて 2 つのカテゴリに分類できます。
（１）同期粉末供給を技術的特徴とするレーザークラッディング堆積（LCD）技術
（２）粉末床積層を特徴とする選択的レーザー溶融（SLM）技術。以下では、これら 2 つの代表的な LAM 技術の成形原理と特性の概要に焦点を当てます。

1 LCD技術の形成原理と特徴
LCD技術は、ラピッドプロトタイピング技術の「層ごとの積み重ね」原理とレーザークラッディング技術の有機的な組み合わせであり、金属粉末を成形の原料とし、高エネルギーレーザービームを熱源として利用します。成形部品のCADモデルの層状スライス情報の処理経路に従って、同期して供給される金属粉末を層ごとに溶かし、急速に固化させて層ごとに堆積させ、金属部品全体の直接製造を実現します。 LCD システムには主に、レーザー、チラー、CNC ワークベンチ、同軸粉末供給ノズル、粉末フィーダー、その他の補助装置が含まれます。

LCD 技術は、ラピッドプロトタイピング技術とレーザークラッディング技術の特性を統合しており、次のような利点があります。
（１）金型が不要で、従来の方法では製造が困難であったり不可能であった複雑な形状の部品も製造可能
（２）マクロ組織とミクロ組織が同時に製造され、機械的性質は鍛造品のレベルに達する。
（３）成形サイズに制限がなく、大型部品の製造が可能。
（４）カスタマイズされた生体補綴物や機能的に段階的な部品の製造に使用できる。
（５）故障・損傷した部品を迅速に修復することができ、方向性組織の修復・製造も実現できる。

主な欠点:
（１）製造コストが高い
（２）製造効率が低い
（３）製造精度が悪いため、片持ち梁構造の場合は対応する支持構造を追加する必要がある。

2 SLM技術の形成原理と特徴
SLM テクノロジーは、ラピッドプロトタイピング テクノロジーの基本原理に基づいて開発された高度なレーザー付加製造テクノロジーです。部品の3次元デジタルモデルを専用ソフトウェアでスライスして積層し、各セクションの輪郭データを取得します。次に、輪郭データに従って、高エネルギーレーザービームを使用して金属粉末を層ごとに選択的に溶融します。粉末を層ごとに広げ、溶融、固化、蓄積することで、3次元の固体金属部品の製造を実現します。選択的レーザー溶融システムは、主にレーザーおよび補助装置、ガス精製システム、粉末拡散システム、制御システムの 4 つの部分で構成されています。 SLM テクノロジーには次の利点があります。

（１）成形原料は一般に金属粉末であり、主にステンレス鋼、ニッケル基高温合金、チタン合金、コバルトクロム合金、高強度アルミニウム合金、耐火金属などが含まれる。
（２）成形された部品は高精度であり、表面は研磨やサンドブラストなどの簡単な後処理で精度要件を満たすことができる。
（３）小物の印刷に適している。
（４）成形部品の機械的性質は良好であり、一般に鋳造品よりは優れているが、鍛造品ほど良好ではない。

主な欠点:
（１）層厚とスポット径が非常に小さいため、成形効率が低い。
（２）部品の大きさは粉末充填作業箱の大きさによって制限されるため、大型一体部品の製造には適さない。
（３）傾斜機能材料の製造や配向結晶構造の形成が不可能であり、故障部分の修復には適さない。

国内外のレーザー積層造形技術の最新研究進捗

1. 国内外のLCD技術の最新研究進捗状況<br /> LCD 技術に関する国内外のプロセス研究は、主に組織の改善と性能の向上に焦点を当てています。米国のOPTOMECやロスアロモス研究所、欧州航空防衛グループのEADSなどの研究機関では、チタン合金、ニッケル基高温合金、鉄基合金などさまざまな材料のプロセス最適化研究を実施し、成形部品の欠陥を大幅に削減し、密度を高め、同じ材料の鍛造レベルに近い、あるいはそれを超える性能を実現しました。例えば、米国空軍研究所のKobrynらは、Ti6Al4Vレーザークラッディング堆積成形プロセスを最適化し、熱処理と熱間静水圧プレスが成形部品の微細構造と特性に与える影響を研究し、組織の内部応力を大幅に低減し、層間気孔などの欠陥を排除し、堆積方向に沿った成形部品の靭性と高サイクル疲労性能を鍛造品のレベルにまで高めました。

ドイツ・ハノーバーのレーザー研究センターのRottwinkelらは、誘導加熱を利用して基板を事前に予熱することで、高温合金成形プロセス中のクラッド層の亀裂の問題を解決し、これを高温合金ブレードの成形と修理に応用しました。中国では、北京航空航天大学の陳波らが主にチタン合金部品のLCDプロセスを研究し、熱処理システムを最適化することでチタン合金成形部品の構造を洗練させ、性能を大幅に向上させ、航空機の大型荷重支持構造部品の製造にうまく応用した。西安交通大学の葛江波、張安鋒、李迪塵は、シングルパス、マルチパス、ソリッドプログレッシブ成形実験を通じて、鉄系合金とニッケル系合金成形部品の寸法精度、微細構造、機械的特性に対するプロセスパラメータの影響を研究し、成形部品の精密成形と高性能な一体型「形状制御と特性制御」製造を実現した。

LCD技術は部品の修理分野でも広く利用されています。米国のサンディア国立研究所と空軍研究所、英国のロールスロイス社、フランスのアルストム社、ドイツのフラウンホーファー研究所は、航空機エンジンのタービンブレードとガスタービンブレードのレーザークラッディング修理プロセスを研究し、図1（a）に示すように配向結晶ブレードの修理に成功しました。また、米国国防総省が開発した「モバイルパーツホスピタル」は、図1(b)に示すように、LCD技術を戦場環境に応用し、戦場で損傷した部品(戦車のスプロケット、トランスミッションギア、シャフト部品など)をリアルタイムで修復し、戦場環境での機動性を大幅に向上させます。


同時に、LCD 技術を使用することで、粉末を混合したり、ノズルを制御して異なる粉末を同時に吐出したりすることで、金属-金属や金属-セラミックなどの機能性傾斜材料を形成できます。米国リーハイ大学のフレデリックらは、LCD技術を使用してCuとAISI 1013工具鋼の傾斜機能材料を製造する可能性を研究しました。プロセスの最適化と中間遷移層材料としてのNiの使用により、傾斜材料形成プロセス中の2相不適合性と被覆層の亀裂の問題が解決されました。米国サザンメソジスト大学のマルチファブ研究所は、図 2 (a) に示すように、LCD 技術を使用して縦方向と横方向の両方の勾配を持つ金属セラミック複合部品を製造することに成功しました。スロベニアのマリボル大学もCu/H13傾斜材料のLCDプロセスを研究し、図2（b）に示すように、通常の鋳造銅よりも高い引張強度を持つ、亀裂のないCu/H13傾斜材料を得ました。


さらに、米国のサンディア国立研究所やミズーリ科学技術大学などの研究機関も、Ti/TiC、Ti6Al4V/In 625、In 718/Al2O3などの異なる材料による機能傾斜部品のLCD形成プロセスを研究してきました。国内では、西北工業大学の楊海欧、黄衛東らが316L/ルネ88DT傾斜材料のLCD形成プロセスを研究し、傾斜材料のさまざまな成分の含有量の変化に伴うクラッド層の微細構造と硬度の変化をまとめた。西安交通大学のJie Hang、Zhang Anfengらは、Ti6Al4V/CoCrMo機能性傾斜材料に関するLCD研究を実施しました。また、北京非鉄金属研究所のXi Mingzhe氏らは316L/ニッケル基合金/Ti6Al4Vの成形プロセスを研究し、瀋陽立工大学のTian Fengjie氏らは傾斜材料LCD成形用同軸粉末供給ノズルの設計を研究した。 LCD機器のアップグレードと改善も、国内外で注目されている研究テーマの一つです。

米国ミズーリ工科大学のTarakらは、LCD技術とCNC切断技術を組み合わせ、工作機械のスピンドルにレーザーヘッドを設置してクラッディング成形後の部品のリアルタイム加工を実現し、部品の精度を確保しながら生産効率を向上させるLAMP加工システムを開発した。米国のサザンメソジスト大学マルチファブ研究所の研究者らも、5軸リンク技術をLCDに応用した。作業台を揺動・回転させることにより、カンチレバー加工サポートの問題を克服し、さまざまな複雑なカンチレバー部品を形成できた。ドイツのDMG MORI社が開発したLaserTec 65も、5軸連動切削とLCDを組み合わせ、航空機用の複雑形状金型や特殊形状の冷却チャネルなどの部品の加工・製造に使用されています。中国ではLCD装置の研究がほとんど行われていません。現在、西安交通大学では5軸リンクレーザー積層・積層一体成形機を開発しています。

2 国内外におけるSLM技術の最新研究の進展

SLM成形技術に関しては、国内外の研究者が欠陥制御、応力制御、成形微細構造の進化、成形部品の機械的特性向上などについて多くの研究を行ってきました。ドイツのフラウンホーファー研究所（ILT）の研究者らは、SLM法で異なるアーム厚のAlSi10Mgダブルカンチレバービームを形成する際に基板を予熱した。その結果、予熱温度が250℃のとき、温度勾配による熱応力が効果的に低減されることがわかった。形成された部品を基板から分離した後、異なるアーム厚のダブルカンチレバービームは変形も割れも起こらなかった。リーズ大学のオラカンミ氏らは、近年世界中で行われているアルミニウム合金のSLM成形のプロセス、微細構造、機械的特性に関する研究結果をまとめました。

マンチェスター大学のマジュムダールらは、SLM成形中の316Lステンレス鋼粉末の微細構造の変化を研究しました。彼らは、試料の上部表面は全方向への熱放散により等軸結晶微細構造であるのに対し、試料の下部は熱蓄積効果により粗い柱状構造に成長することを発見しました。エネルギー密度が大きいほど、粒子が大きくなります。ラフバラー大学のMumtazらは、SLMでインコネル625の薄肉部品を成形する際に、パルス成形技術を使用してパルスサイクル内のエネルギー分布を変更し、成形プロセス中の粉末の飛散を効果的に削減し、成形部品の表面品質を向上させました。中国の華南理工大学、華中科技大学、西安交通大学、東呉大学でもSLM成形技術に関する研究が盛んに行われています。例えば、蘇州大学のQian Deyuらは多孔質アルミニウム合金のSLM成形に関する研究を行い、多孔質アルミニウム合金の表面形態、多孔度、微細構造、相組成、マイクロメカニカル特性を分析し、レーザー出力が130Wのときに多孔度が最大になり、多孔質アルミニウム合金の粒径がナノメートルレベルに達したことを発見しました。レーザー出力の変化は多孔質アルミニウム合金のナノ硬度に大きな影響を与えます。

華南理工大学の劉楊氏らは、SLM を使用して、ギャップ サイズが 0.2 mm で傾斜角度を持つ一連のギャップ フィーチャを形成し、成形厚さ、傾斜角度、エネルギー入力などのプロセス パラメータがギャップ サイズに与える影響を研究し、図 3 に示すように、組み立て不要の折りたたみ式そろばんを形成しました。 同時に、国内外の積層造形関連の研究機関や企業もSLM装置の研究開発に取り組んでいます。最初の SLM 装置がドイツのフォッケレ・シュヴァルツェ (F&S) とドイツのフラウンホーファー研究所 (ILT) によって共同開発されて以来、SLM 技術と装置の研究開発は急速に発展してきました。


海外におけるSLM装置の研究開発は、主にドイツ、米国、日本などの国に集中しています。現在、これらの国には、ドイツのEOS、SLM Solutions、Concept Laser、米国の3D Systems、日本のMatsuuraなど、SLM装置の製造を専門とする企業があります。ドイツのEOS社は、EOS M100/M290/M400、EOSINT M280、PRECIOUS M080 SLM装置を発売しました。このうち、EOS M400 SLM装置の最大成形サイズは400mm×400mm×400mmです。 SLMソリューションズが開発したSLM装置「SLM 500HL」は、最大成形サイズが500mm×280mm×365mmです。 2015年、ドイツのフラウンホーファー研究所（ILT）とコンセプトレーザーは共同で、最大成形サイズが800×400mm×500mmのXline2000R SLM装置を開発しました。


現在、日本の松浦社は、金属レーザー成形と切断加工を組み合わせた金属光造形複合加工装置LUMEX Avance-25を開発しました。レーザーが一定数の層の粉末を溶融した後、高速フライス加工を1回実行し、部品全体が処理されるまでこのプロセスを繰り返します。これにより、成形部品の表面品質と寸法精度が向上します。単純な金属粉末レーザー選択溶融技術と比較して、その加工寸法精度は±5μm未満です。図4は、金属光造形複合加工原理の概略図、図5は、SLM技術とSLM +フライス加工複合技術の成形結果の比較です。国内では、華中科技大学、華南理工大学、西北工業大学、西安交通大学などの大学がSLM装置の開発において多くの研究を行ってきました。その中で、華南理工大学レーザー加工研究室と北京龍源社は協力して、密度ほぼ100％、表面粗さRa15μm未満、寸法精度0.1mm/100mmの金属部品を成形できる最新のDiMetal-100 SLM装置を開発しました。


2016年、華中科技大学武漢光電子国家実験室のレーザー先進製造研究チームは、世界で初めて4本のビームを持ち、成形サイズが500mm×500mm×530mmの大型SLM装置を開発しました。SLM装置に双方向粉末敷設技術が導入されたのはこれが初めてであり、成形効率は同様の装置よりも20％～40％高くなりました。

高性能金属部品のレーザー積層造形技術の最新研究の進歩
1 超音波振動アシストLCD
IN718 LCDの堆積構造と特性への影響は、最も重要な積層造形技術の1つです。しかし、高温合金や高強度鋼などの材料で作られたLCD部品は、応力、微細孔、微細亀裂などの欠陥が発生しやすいため、航空宇宙、生物医学などの分野での応用が著しく制限されます。鋳造や溶接の分野における脱ガス、結晶粒微細化、組織組成の均一化、残留応力の低減における超音波振動の役割を利用して、超音波振動を LCD システムに導入し、高性能の金属成形部品を実現します。図６は超音波振動アシストLCDシステムの概略図である。



超音波振動アシストLCD IN718のテスト結果によると、超音波振動を加えた後、成形部品の表面粗さと残留応力が大幅に改善され、微細構造が微細化され、引張強度と降伏強度が向上しました。超音波振動なしと比較して、超音波周波数が17kHz、超音波出力が44Wの場合、x方向とy方向の残留応力はそれぞれ47.8％と61.6％減少し、降伏強度と引張強度はわずかに向上し、伸びと断面減少率はそれぞれ29.2％と45.0％に達しました。つまり、伸びと断面減少率はそれぞれ鍛造基準の2.4倍と3倍です。これらの結果は、超音波振動アシスト LCD が高品質で高性能な LCD デバイスを実現するための効果的な方法であることを示しています。

2.誘導補助LCD
DZ125LブレードのDD4方向性結晶修復を備えたLCD高温合金を研究すると、高温合金は高い亀裂感受性を持っています。亀裂は一般的に粒界に沿った亀裂として現れ、堆積方向に沿って伸び、高温合金の機械的特性に重大な影響を及ぼします。誘導加熱を利用して LCD を支援すると、これらの問題を適切に解決できます。誘導加熱は、基材とクラッド層間の温度勾配を効果的に低減することができます。一方では、微細欠陥（微細孔やスラグ介在物など）を排除することができ、他方では、高温合金の亀裂の形成を効果的に排除することができます。したがって、誘導支援 LCD 技術は、高温合金の方向性凝固構造の性能を効果的に向上させることができます (図 7 を参照)。 誘導加熱によるDD4の固体形成プロセス中の熱放散方向と正の温度勾配を制御することにより、完全かつ均一なエピタキシャル成長したDD4柱状配向結晶を得ることができます。


さらに、誘導加熱補助LCD DD4固体形成プロセス中に、導入加熱が1200°Cであるように、柱状結晶の主要な樹状突起のサイズも大幅に変化しました柱状結晶の間隔は5倍増加し、柱状結晶の主要な樹状突起間の横粒の境界と亀裂は完全に消滅しました。境界は減少します。これは、DD4の高温性能を改善するのに非常に有益であり、DZ125L配向の結晶ブレードのLCD DD4カラムカラムクリスタル修復の基礎を築きます。

3 CuW傾斜機能複合材料のLCDプロセス研究<br /> 従来の浸透法や混合粉末焼結法で製造された銅タングステン電気接点の使用中の主な問題は、疲労亀裂とスラグ落下（図 9 を参照）、つまりアーク浸食に対する耐性が低いことです。銅とタングステンの物理的性質について言えば、銅の融点はわずか 1083°C、沸点は 2595°C ですが、銅はレーザーに対する反射率が高く、熱伝導率が高いという特徴があります。一方、タングステンの融点は 3422°C、沸点は 5655°C と高くなっています。銅とタングステンの熱的物理的性質は大きく異なります。タングステンの密度と沸点は銅の2倍以上、融点は銅の3倍以上です。タングステンが溶ける前に銅はすでに蒸発しています。銅とタングステンでLCDテストを行うには、十分に高い電力密度が必要です。したがって、誘導補助LCD技術を使用してCuW機能傾斜材料部品を形成でき（図10を参照）、形成された部品は総合的な機械的特性が良好です。


この実験は、CuW複合材料誘導補助LCDの形成プロセスに焦点を当て、Cuの高熱伝導率とレーザーに対する高反射率の問題を解決し、CuW材料LCDの濡れメカニズムと欠陥形成メカニズムを研究し、形成されたCuW複合材料が使用の機械的および電気的性能要件を満たすようにします。 試験結果によると、誘導加熱温度が 400℃ のときにサンプルの成形品質が最高になります。続いて、400℃に予熱した銅基板上に、W質量分率50％、60％、70％、80％のCuW複合材料を形成した（図11参照）。CuW複合材料の形成プロセスパラメータに基づいて、CuW機能傾斜材料を形成し、CuW傾斜複合材料の微細構造とW粒子分布の均一性を分析した。走査型電子顕微鏡写真では、W 含有量が 70% と 80% の場合、W 粒子は比較的均一に分布していますが、形成されたすべてのサンプルに非常に少量の微細孔があることが示されています。さらに実験を行ったところ、レーザー表面再溶融プロセスにより、形成されたサンプルの細孔を効果的に減らすことができることがわかりました。


4 粉末供給ガス純度がレーザークラッディングに与える影響
不活性ガスと比較して、窒素は窒素発生器を通じて空気から生成することができ、現場、工業・鉱業、エネルギー・電力などの変化しやすく複雑な環境における故障部品の迅速な緊急修理に適しており、設備はすぐに通常の使用を再開し、資源を節約し、経済的損失を減らし、重要なエンジニアリング応用価値を持っています。粉末供給には、純度の異なる 3 種類の窒素ガス (99.999% N2、99.5% N2、98% N2) を使用しました。40Cr を修復するための Fe314 のレーザー クラッディングは、保護されていない大気環境で実施されました。粉末供給ガスの純度が修復部品の微細構造と特性に与える影響を検討し、クラッディング修復システムに適した純度の窒素発生器を選択するための科学的根拠を決定しました。

試験結果によると、一定の範囲内で窒素の純度が低下すると、被覆層内の残留スラグ介在物がわずかに増加するが、補修後の機械的性質にはほとんど影響がないことがわかった。純度98％～99.5％の窒素発生器を使用すると、補修性能要件を完全に満たすことができる。 3つの異なる純度窒素粉末供給条件下でのFe314修復40Crサンプルの引張強度は1001MPa以上、伸びは10%以上、硬度は約HV0.2430であり、いずれもマトリックスの機械的特性を超えています。図12は、Fe314レーザークラッディングを使用して40Cr中炭素鋼ギア部品を修復する例を示しています。クラッディング層と基材は冶金的に結合されており、結合面の機械的特性は40Cr本体よりも優れているため、現場や作業環境でギア部品の迅速な緊急修復を実現できます。

高性能金属部品のLAM技術は、精密成形と高性能成形の両方の要件を考慮した統合製造技術として、航空宇宙、バイオメディカル、自動車、高速鉄道、製品開発などの分野で幅広くかけがえのない応用展望を示しています。しかし、鋳造、鍛造、溶接などの伝統的な熱間加工技術や機械加工などの冷間加工技術と比較すると、LAM技術の発展の歴史はわずか30年であり、製造コストが高い、効率が低い、精度が悪い、プロセス装置の研究開発が不完全であるなどの問題が依然として残っており、大規模な産業応用には至っておらず、その技術的成熟度は依然として従来の技術から大きく遅れをとっています。特に、LAM 専用合金の開発の遅れ、LAM 部品の非破壊検査方法の不完全さ、および関連する LAM 技術の体系化と標準化の欠如により、産業分野における LAM 技術の応用は大きく制限されています。

さらに、LAM 合金の機械的特性と成形形状精度制御は理想からは程遠いものです。これは一方では、LAM およびその後の熱処理中のこれらの合金の形状制御と特性制御のメカニズムに関する体系的かつ詳細な研究と理解が不足していること、他方では LAM プロセスの制御が十分に正確ではないことに起因しています。これはまた、LAM 技術には、さらに改善すべき基礎研究と応用研究がまだたくさんあることを意味します。積層造形は、製造原理における優れた利点により、大きな発展の可能性を秘めた先進的な製造技術となっています。積層造形装置の品質が大幅に向上し、適用材料の種類が拡大し、製造効率と精度が向上するにつれて、LAM 技術は必然的に製造技術に革命的な発展をもたらすでしょう。

編集者：南極熊著者：張安鋒（教授、博士課程の指導教員、主にレーザー積層造形（3Dプリント）技術とその設備、高性能金属部品の積層造形技術とその再生・修理工学の研究に従事。 *基金プロジェクト：国家重点プロジェクト「高性能金属構造部品のレーザー積層造形の形状制御と制御性の研究」高性能金属部品レーザー積層造形技術研究進捗国家自然科学基金プロジェクト、陝西省科学技術連携イノベーションプロジェクト）
航空、輸送、EOS、航空宇宙、生物学

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