レーザー積層造形法による宇宙での金属ガラスの製造

出典：高エネルギービーム加工技術

ドイツ航空宇宙センター宇宙材料物理学研究所のクリスチャン・ノイマン教授とそのチームは、国際誌「NPJ Microgravity」に「宇宙での粉末からの金属ガラスの付加製造」と題する論文を発表しました。

BMG と粉末床溶融結合法 (PBF-LB) はどちらも宇宙用途に有望な特性を備えています。しかし、この分野におけるそれらの組み合わせはほとんど研究されていません。これら 2 つのトピックを組み合わせるために、バルク金属ガラス部品は、重力環境に依存しない粉末プロセスで製造されます。観測ロケットは、可用性、コスト、および微小重力時間の間で適切な妥協点を提供するため、システムが微小重力放物線飛行アプリケーションの条件を満たした後、実験環境として選択されました。この研究の成果は、粉末原料を使用して微小重力下で部品を製造できる可能性があることを示唆している。粉末原料はワイヤーよりもコンパクトで、宇宙への輸送も容易だ。したがって、これにより、現地資源利用 (ISRU) と宇宙製造 (ISM) が大幅に進歩し、長期間の微小重力環境での将来のテストへの道が開かれます。
レーザーおよび電子ビーム加工

論文概要
BMG は比較的新しい素材で、その歴史は 1960 年代初頭にまで遡ります。組成に応じて、優れた耐腐食性、良好な機械的特性、低い摩擦係数などの魅力的な特性を備えています。 BMG の優れた特性と過去数十年間にわたる驚異的な進歩にもかかわらず、BMG を構造部品やツールとして使用する上で最大の障害となるのは、製造される部品のサイズです。鋳造工程で厚みが増すと冷却速度が低下し、結晶化度が増すため、厚みは通常数ミリメートルから数センチメートルに制限されます。宇宙探査を低軌道を超える長期ミッションへと前進させるには、ISM および ISRU 技術の開発と導入が重要になります。これらの取り組みにおいてレーザーベースの粉末床溶融の利点を活用するには、微小重力下での粉末の取り扱いという課題を克服する必要があります。数回の観測ロケット飛行中に、付加製造による宇宙での製造をシミュレートした Zr ベースの金属ガラスが製造されました。ガラス層を一つずつ積み上げることで、これらのサイズ制限を回避し、鋳造よりも厚いアモルファス部品を形成できます。
レーザーおよび電子ビーム加工

グラフィカル分析<br /> ビルドプロセスは、インサート内で行われます。インサートは、粉末コンテナー、Z 軸および E 軸ドライブ、およびビルドプラットフォームを含むハッチからアクセスされる、簡単に取り外し可能なカートリッジ (図 1 を参照) です。こうすることで、デバイスが離陸前の飛行構成にある間に、ビルドプラットフォームや粉末、さらにはカートリッジ全体を簡単に交換できます。粉末が粉末床の一部である場合、無重力状態で安定している必要があり、同時に粉末の新しい層を粉末床に適用できるほど流動性も必要です。

図 1. カートリッジが置かれるビルドプラットフォームと粉末容器。
パラボリックフライトを採用し、粒径20～53µmの1.4404ステンレス鋼粉末と粒径45～100µmのZr系金属ガラスAMZ4を選択しました。ビルドには、さまざまな範囲のレーザー速度 (1000～5500 mm/分) とレーザー出力 (55～230 W) が使用されました。図2に示すように、Y軸方向に沿ってレーザー出力を増加させ、X軸方向に沿ってレーザー走査速度を増加させて、構築プラットフォーム上に2次元のセグメント化されたグリッドを形成します。多くの場合、最初のテストビルドの終了時にパーツに明らかな欠陥があり、次のビルドでは除外できます。エネルギー入力が高すぎる (高電力と低速度、図 2 右下を参照)、またはエネルギー入力が不十分 (低電力と高速度、図 2 左上を参照) であるため、表面が非常に粗く、不完全に溶融した粉末が見えます。

図 2. 異なるパラメータを持つ AMZ4 線分の例。
この方法では、図 3 に示すように「A + B」スキャン戦略を採用しています。この戦略は、ほぼ同じですがハッチ距離の半分だけずれていて、表現平面に垂直な軸に沿って移動するレーザーの方向が反対である 2 つの異なるレイヤー A と B で構成されます (A: 読者に向かって、B: 読者から離れて)。この戦略により、高密度の部品を構築しながら多孔性と穴を減らすことができます。

図 3. セグメント化された「A + B」スキャン戦略の概略図。
このようなスキャン戦略では、金属ガラスは密度が高くなるため、結晶をより注意深く検査する必要があります。異なるレーザー出力とスキャン速度により、生成される結晶の割合が異なります。 SEM の結果を図 4 に示します。サンプルでは、結晶領域 (図 4 の暗い部分) が境界を越えた領域であることが示されました。図 4(a) ではこれらの領域は周期的に現れますが、図 4(b) ではそれらの存在はより無秩序に現れます。サンプルの端付近では、境界に特に明らかな結晶領域があります。

図4.走査型電子顕微鏡写真。
飛行サンプル（M10-µg、レーザー出力75W、スキャン速度4000mm/分）と実験室サンプル（M10-lab、同じパラメータ）の比較結果を図5に示します。これらは2つの典型的な回折パターン曲線です。ビルドプラットフォームからの信号は、ピーク識別として表示されます。建設プラットフォーム上の鋼鉄は簡単に見つけられ、サンプルは部分的に結晶化しています。

図5. シンクロトロン内のM10-µgサンプルとM10-labサンプル。
M10 サンプルと同じパラメータを持つ AMZ4 フラグメントは、図 6 に示すように結晶分率が低く、M10-µg と比較してビルドプラットフォームを除去するのに十分な分率であるため、スチールピークは現れません。

図 6. M10µg サンプルと、セグメント化された実験室サンプルおよびシンクロトロンでの鋳造サンプルの比較。
要約する
実験では、AMZ4 サンプルは完全に非晶質ではありませんでした。 AMZ4 の場合、これは、産業用 PBF-LB プロセスでは、スキャン速度が通常 MARS-M を使用する場合よりもはるかに速く、最終製品中の非晶質材料の割合が高くなるという事実によって少なくとも部分的に説明できます。これは、設計基準と最適化目標が異なるためです。工業プロセスでは速度が非常に重視される要素ですが、ロケットのペイロードではコンパクトさと堅牢性が不可欠です。しかし、より多くの層を使用した地上実験では、サンプルの大部分が非晶質であることが示されました。結晶領域は層間領域に位置しており、さらなる研究が必要です。しかし、観測ロケットでAMZ4粉末から金属ガラスのサンプルを作成することに成功しました。これにより、微小重力下での粉体処理におけるガスフロー概念の有効性が拡張されます。次のステップは、このプロセスを軌道上のプラットフォーム上で実行し、微小重力下でより多くの時間を過ごすことです。

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