研究者らは、高密度の非晶質金属ガラスの3Dプリントのための高度なレーザー成形法を開発

2024年3月31日、アンタークティックベアは、スイス先進製造センターとレオーベン大学の研究者が、バルク金属ガラス（BMG）の積層造形に使用できる高度なレーザービーム成形方法を開発したことを知りました。このプロジェクトでは、研究者らは成形レーザービームを使用して、ほぼ完全に非晶質の高密度 BMG サンプルを作成し、それによって機械的特性を大幅に向上させました。
関連研究は、「構造的および機械的強化に向けたガラス状態の制御：高度なレーザービーム成形技術を使用したバルク金属ガラスの付加製造」と題する論文とともに、Advanced Functional Materials 誌に掲載されました。

論文リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202311118
バルク金属ガラス (BMG) は優れた物理的/機械的特性を備えており、さまざまな用途に適しています。レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 技術は、大規模で複雑な BMG 構造の製造に大きな可能性を秘めています。しかし、現在の AM マシンで使用されるエネルギー分布は最適ではないため、以前に硬化した層が広範囲に再加熱されることになります。そのため、機械的特性は構造緩和と部分結晶化によって大きく影響されます。
△ガウスビーム（a）と成形ビーム（b）のエネルギー密度分布と溶融プールの形状。 (画像出典: S Hadibeik 他)
研究チームは、調整可能な高度なレーザービーム成形技術を使用してこの問題を解決し、最適化された原子レベルの短距離および中距離秩序と、改善された降伏/破壊圧縮強度を確立しました。ビーム成形を使用して浅く広い溶融プール形状を作成すると、溶融チャネル間隔を広げて熱履歴をより適切に制御できるため、非晶質性と再現性が向上します。この高度な再生と無秩序により原子の移動度が高まり、せん断帯の生成と増殖が促進され、材料の機械的強度と延性が向上します。
△ a) 元の粉末、b) SB-H、c) SB-L、d) GB-H、e) GB-L サンプルの高エネルギーシンクロトロン X 線回折パターン、光学顕微鏡写真、SEM 画像。
現在の研究では、最先端の積層造形技術の能力を超えて、自由ビーム成形技術を使用して BMG 部品を製造できることが実証されています。機械的な動作は元の状態とは異なりますが、さらなる調査が必要です。さらに、自由形状ビーム成形は PBF-LB プロセスに革命を起こす可能性があり、機械学習とのシームレスな統合と新材料のより迅速な最適化を可能にします。
この研究では、高度なレーザービーム成形を使用して、AMLOY-Zr01 BMG合金を積層製造しました。高度な材料特性評価により、最先端の LPBF マシンでは現時点では達成できない強化された特性を備えたほぼ完全な非晶質構造が確認されました。成形ビームにより、標準のガウスビームを使用して処理されたサンプルと比較して、より小さなサイズの結晶が分布する積層製造サンプルが生成されました。成形ビームサンプルでは、ガラスの原子スケールの構造が位相変化を起こし、変形中の原子運動とせん断帯伝播の自由度が高まります。
自由ビーム成形は、特にバルク金属ガラスの場合、LPBF プロセスの開発方法をさらに変える可能性を秘めています。フリービームシェーピングは完全にデジタル制御された技術であり、最初の設置後に光学系を手動で操作する必要がなくなるため、機械学習のコンセプトとシームレスに統合できます。さらに、光学システムは非常に柔軟で調整可能であるため、新しい材料の開発プロセスや特定のアプリケーション向けの最適化がより高速になり、より良い結果が得られる可能性があります（局所最適に陥るリスクは低くなります）。これにより、これまで LPBF では加工不可能だった高性能材料の加工が可能になります。

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