速報:アメリカの科学者がチタンの3Dプリント部品に致命的な欠陥がある可能性があることを発見

速報:アメリカの科学者がチタンの3Dプリント部品に致命的な欠陥がある可能性があることを発見

チタンは 3D プリントに最も適した金属材料の 1 つとして常に考えられており、現在ではさまざまな航空宇宙部品や医療用インプラントの製造など、その応用範囲は非常に広くなっています。しかし今、その状況は変わりつつあるかもしれない。カーネギーメロン大学(CMU)の最近の研究で、3Dプリントされたチタン製品には「極めて致命的な欠陥」がある可能性があることが判明したのだ。

Antarctic Bear によると、この欠陥は、3D プリントされたチタン製品の内部に無数の小さな気孔があるために亀裂が生じる可能性があるというだけのことで、これらの気孔は主に、3D プリント中にチタン粉末が溶融した後にガスが混入することによって発生します。

この悲惨な結果は、CMU が米国エネルギー省のアルゴンヌ国立研究所 (ANL) の高強度シンクロトロン X 線とマイクロトモグラフィーツールを使用して、電子ビーム溶融法 (EBM) と選択的レーザー溶融法 (SLM) で 3D プリントされたチタン部品を分析した後に発見されました。最も一般的に使用されるチタン金属は Ti-gAI-4V (アルミニウム 6%、バナジウム 4% を含む) です。

彼らの観察によれば、これらのチタン部品の気孔は、数ミクロンから数百ミクロンまでの大きさが異なり、無数にランダムに分布しているため、ある程度の外力を受けると、内部に亀裂が生じる可能性が非常に高いという。

さらに、CMU の研究チームは、主に 3D プリンターのレーザー ビーム出力、速度、間隔など、多孔性に影響を与える要因も発見しました。 EBM技術とTi-gAI-4Vを使用した実験では、上記のパラメータを調整し続けましたが、プリント内の気孔を完全に除去することはできませんでした。


「レーザービームのパワーが不十分な場合も、粉末の一部が溶けないため、多孔性が生じる可能性があります。しかし、パワーが高すぎると、電子ビームによって空洞が残される深い穴ができるリスクが増すため、好ましくありません」と、CMU の材料科学および工学の教授であるアンソニー・ロレット氏は語ります。「これらの空孔は、チタンの疲労耐性を大幅に低下させる可能性があります。空孔が多いほど、影響は大きくなります。」

これは、現在チタン金属を使用している3Dプリント業界にとって、間違いなく大きな打撃です。金属(特にチタン)3Dプリントは、その多くの利点(成形速度が速い、自由度が高い、材料の節約が多い、コストが低いなど)により、多くの業界から大きな期待を集めていることに留意する必要があります。ただし、この研究は、関連技術と材料(チタンや他の金属を含む)を変更しなければならない可能性があることを意味します。

しかし、これは世界の終わりを意味するものではありません。 CMU の研究者は、3D プリントされたチタン部品の多孔性を完全に排除することはほぼ不可能であるものの、未溶融の粉末と過剰な粉末の間に、3D プリントのチタンで最高の結果を達成できる「スイートスポット」が存在する可能性が高いことを発見した。そのため、彼らは現在、初期の粉末状態のチタン金属に研究を移しています。

研究者らは、「シンクロトロンX線マイクロトモグラフィーで評価した電子ビーム溶融Ti-6Al-4Vの多孔度に対する処理パラメータの影響」と題する論文を鉱物、金属、材料学会誌に発表した。ご興味がございましたら、ここをクリックしてご覧ください。
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さらに読む:
チタンの 3D プリントの産業化 - エアバスの 2016 年のビッグアイデア
《金属3Dプリント材料の応用性能と欠点の概要》

3Dプリント経由


チタン金属欠陥研究

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