金属 3D プリントの歴史と冶金処理の科学

金属 3D プリントの歴史と冶金処理の科学
ビッグデータ、VR、人工知能と比較すると、今日の3Dプリントは実はあまり新しい技術ではありません。この技術には30年以上の歴史があります。では、金属 3D プリントにはどれほどの利点があるのでしょうか?印刷材料と冶金の観点から見た、さまざまな金属 3D 印刷技術の違いは何ですか?金属 3D プリントの冶金学と加工科学について学びに来てください。


画像クレジット: SpaceX

金属付加製造に関連する最も初期の 3D 印刷技術の 1 つは、プラスチック粉末を焼結するために使用された SLS (選択的レーザー焼結) でした。 1990 年、Manriquez-Frayre と Bourell は SLS 技術による金属製品の印刷の応用を実現しました。


画像: 選択的レーザー溶融

現在、金属 3D プリントについて話す場合、通常は SLM 選択的レーザー溶融技術を指しますが、SLS 技術は金属以外の材料を焼結するために使用されることが多いです。




出典:トゥアン

SLM 技術は非常に魅力的であるため、私たちは別の金属 3D 印刷技術である DED (直接エネルギー堆積技術) を見落としてきました。DED 技術は、電子ビーム、プラズマ、またはレーザーを使用して金属線/粉末を溶かし、金属製品をほぼ正確な形状に溶接します。


画像: 直接エネルギー蓄積

選択的レーザー焼結 (SLS) 技術は、1984 年にテキサス大学オースティン校のカール デッカード博士と指導教官のジョー ビーンマン博士によって特許を取得しました。 3D SystemsはDTMからこの技術を買収したが、2014年に特許が失効した後、新たな3Dプリンターメーカーが高価な工業用印刷プロセスであるSLSの地位を奪うことを目指した。


図: 金属 3D プリントのオリジナル特許の一部

SLM 選択的レーザー溶融の元の特許は、ドイツのフラウンホーファー研究所が所有するレーザー技術研究所から取得され、特許の有効期限は 2016 年 12 月です。 EOS は 1995 年に最初の商用 SLM 装置を発売し、3D Systems から特許ライセンスを取得して SLS 技術特許の使用権を取得しました。別の会社である Arcam は、2000 年に Adersson&Larsson の特許を通じて EBM 技術を使用する権利を取得し、2002 年に最初の商用 EBM 印刷装置を発売しました。



画像: 電子ビームレーザー溶融技術

初期の3Dプリント装置の特許が完全に期限切れとなり、金属加工のプロセス制御、粉末技術の開発、GEによるArcamとConcept Laserの買収により、金属3Dプリントも成熟期に入りました。 GEの付加製造部門責任者であるグレッグ・モリス氏によれば、GEは2~3年以内に3Dプリントの速度を上げ、将来的には現在の速度の100倍に到達したいと考えているという。設備加工技術の向上、材料の調整、価格の合理化に伴い、金属3Dプリントは産業化の分野でますます広い道を切り開くことになるでしょう。加工・応用側にとって、この技術の波に対応するために、金属3Dプリントの冶金加工を理解することは必須科目となっています。



図: 金属 3D プリントの特許

実際、金属加工中には多くの微妙なことが起こります。 SLM 選択的レーザー溶融技術を例に挙げてみましょう。粉末のレーザー溶融プロセス中、各レーザー ポイントは微小溶融プールを作成します。粉末の溶融から固体構造への冷却まで、スポットのサイズと電力によってもたらされる熱量によってこの微小溶融プールのサイズが決まり、部品の微結晶構造に影響を与えます。さらに、粉末を溶融するためには、十分なレーザーエネルギーを材料に伝達して中心部の粉末を溶融し、完全に密度の高い部品を作成する必要がありますが、同時に熱伝導がレーザースポットの周囲を超えて周囲の粉末に影響を与え、半溶融粉末と多孔性が生じます。

設備分野から見ると、レーザーの位置決めと焦点合わせを実現するために、ほとんどのレーザー溶融システムではガルバノメータ走査ガルバノメータが使用されています。最新の技術は、ガルバノメータの上流のレーザービームラインに小さなレンズを配置することで光学系の焦点距離の変化を調整するダイナミックフォーカスシステムです。

アプリケーション側では、機器構成などの厳格な条件に加えて、冶金特性も金属 3D プリント プロセスの多くの条件に関係します。処理パラメータの設定、粉末の品質と粒子状態、処理中の不活性雰囲気の制御、レーザースキャン戦略、レーザースポットサイズと粉末との接触、溶融池と冷却の制御などはすべて、異なる冶金結果をもたらします。



画像: 金属3Dプリント技術の加工特性

一般的に言えば、加工速度が速いほど表面粗さは大きくなりますが、これらは相互に関連する 2 つの変数です。さらに、残留応力は、DED および SLM 処理技術が直面する共通の課題です。残留応力は、後処理および機械的性能パラメータに影響を及ぼします。ただし、冶金学的側面を制御する能力に応じて、残留応力を利用して再結晶化を促進し、微細な等軸粒子の形成を促進することもできます。

過去 5 年間で、金属印刷プロセスの微細構造と新しい合金の加工特性に関する理解が大きく進歩しました。同時に、微細構造の不均一性も観察されました。この点で、特性評価作業(柱状結晶、高配向性、多孔性など)を通じて加工冶金学のさらなる理解が得られ、金属 3D プリントのプロセス制御機能が向上しただけでなく、材料の準備と後処理に対する新しい要件も提示されました。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
Aurora Labs、初の超低価格金属3Dプリンターを出荷

バーミンガム大学、アメリカ空軍、非破壊検査、粉末冶金、品質検査

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