積層造形用合金組成の高スループット設計

出典: MGE Advances Materials 遺伝子工学フロンティア

付加製造は、複雑な形状を作成できる可能性により、航空宇宙、輸送、生物医学などの分野に革命をもたらしています。しかし、現在積層造形に使用されている金属材料は高エネルギービーム処理には適しておらず、その性能を向上させる必要があることが示されています。従来の試行錯誤の方法が非効率であるため、積層造形材料の開発は依然として困難です。このレビューでは、アルミニウム合金、チタン合金、超合金、高エントロピー合金などの材料の積層造形における課題と現状について説明し、合金開発における高スループット手法についてまとめています。さらに、この記事では、主要な積層造形合金の性能向上と微細構造メカニズムの最適化における高スループット調製技術の利点についても説明します。結論では、AM 材料開発の進歩におけるハイスループット技術の中心的な役割を強調し、これらの技術が将来もたらす可能性のある変化により、より効率的で革新的な材料開発方法が生まれることを期待しています。

付加製造は、初期のラピッドプロトタイピングツールから、航空宇宙、自動車、生物医学の用途向けの複雑なコンポーネントを製造できる成熟した製造方法へと進化しました。この技術は、レーザー、アーク、電子ビームなどの高エネルギー熱源を使用して、3次元エンティティを層ごとに構築し、優れた設計の自由度と微細構造の制御精度を実現します。特に、レーザー粉末床溶融などの最先端技術により、金属合金の微細構造を制御する能力が大幅に向上し、これらの合金は明らかな階層構造と意図的に設計された不均一性を示すようになり、強度や延性などの材料の機械的特性が効果的に向上しました。

本論文では、アルミニウム合金、高温合金、チタン合金、高エントロピー合金を例に挙げ、積層造形プロセスに固有の急速冷却と高熱勾配が合金の溶解度と微細構造の進化に及ぼす重要な影響を詳細に検討します。これらの熱処理は結晶粒の微細化と非平衡相の形成を促進し、それによって材料の機械的特性を向上させますが、残留応力の増加や亀裂感受性などの問題を引き起こす可能性もあります。記事では、材料特性を最適化し、高温亀裂感受性を低減するには、組成とプロセスパラメータの正確な制御が重要であると指摘しています。

付加製造の実践にハイスループット技術と材料ゲノミクスを導入することは、材料開発方法における革命的なイノベーションを意味します。これらの方法により、新しい合金の迅速なスクリーニングと詳細な評価が可能になり、実験コストと時間が大幅に削減されます。これらの高スループット技術は、計算ツールとビッグデータを活用して、カスタマイズされた積層造形プロセスのための材料開発を強力にサポートします。

要約すると、この論文では、AM 技術の最新の進歩、特定の AM 条件下での材料設計が直面する主な課題、およびこれらの課題がハイスループット技術と材料ゲノミクスを通じてどのように解決できるかをまとめようとしています。この記事が、現在および将来の積層造形用材料の設計とスクリーニングに参考とインスピレーションを提供できれば幸いです。

図1 先進金属材料と積層造形技術の関係（組成設計、印刷プロセス、性能特性、高スループット調製方法を含む）
著者について

連絡先著者<br /> 張百成、教授、博士課程指導教員。主に積層造形、3Dプリンティング、新素材開発に取り組んでいます。現在までに国内外の重要な科学雑誌に50件近くの関連学術論文が掲載され、4,000回以上引用され、H指数は29で、3件の論文がESI高引用論文に選ばれています。国内特許を10件取得しており、国内外の重要な学術会議に10回以上講演を依頼されている。彼は、SCI ジャーナル Materials Today Communications、Metal の編集委員、International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials (IJMMM) の若手編集委員、および Powder Metallurgy Technology の編集委員を務めています。粉末冶金産業技術革新戦略同盟の粉末射出成形専門委員会の副事務局長。Elsevier、Springer、MDPI傘下の30を超える国際的に有名なジャーナルの仲裁査読者。

第一著者<br /> Liu Min 氏は、北京科技大学先端材料技術研究所の博士課程の学生です。彼の研究分野は、金属積層造形法に基づく高スループット部品の開発です。

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