研究者らはレーザービーム粉末床融合3Dプリントにおける収縮多孔性に関する新たな説明を提案

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-2-27 17:32 に最後に編集されました

2024年2月27日、アンタークティックベアは、カーネギーメロン大学とピッツバーグ大学の研究者が、レーザービーム粉末床溶融結合法（PBF-LB）における収縮細孔欠陥の問題に対する新しい理論を提案したと主張していることを知りました。

△この研究は、Acta Materialia誌に「レーザー粉末床溶融積層造形における収縮多孔性の機械的説明」と題して掲載されました（ポータル）
背景

研究者たちは、PBF-LB プロセスパラメータが微細構造にどのような影響を与えるかを詳しく調べるつもりでしたが、プロセスで見落とされていた製造上の欠陥を予期せず発見しました。

収縮多孔性は金属鋳造でよく見られる欠陥で、通常は金属が液体から固体に変化する時に発生します。従来の金属鋳造では、Niyama 基準を使用して収縮多孔性の形成を正確に予測できます。しかし、このアプローチを PBF-LB に適用することはこれまで検討されていません。さらに、この研究以前は、レーザービーム粉末床融合 3D 印刷における収縮多孔性を正確に予測できるヒューリスティックな方法は知られていませんでした。

研究者らは、微細構造特性評価と解析的熱伝達モデリングを通じて、PBF-LB 3D プリントにおける収縮孔の形成に関する新たな説明を成功裏に提供しました。

研究の結果、研究チームは、ニヤマ基準では金属 3D 印刷プロセスにおける収縮空洞の発生を効果的に予測する上で限界があることを発見しました。さらに、この研究では、レーザー出力、スキャン速度、堆積温度などの 3D 印刷プロセスパラメータが収縮多孔度に直接影響を与えることが判明しました。

結論は、凝固冷却速度に基づく新しいモデルが PBF-LB 積層造形における収縮率を確実に予測できることを示しています。チームは、3D プリントパラメータを調整することで収縮多孔性を低減するために使用できる収縮多孔性フローチャートも公開しました。

「凝固と L-PBF 処理原理に基づいて収縮多孔性の発生を説明できたのはこれが初めてです」とカーネギーメロン大学機械工学助教授のスネハ・プラバ・ナラ氏は語ります。「また、処理条件の関数としてそれをマッピングし、研究者やエンジニアが理解しやすい形でこの情報を提示することができました。この成果は、プロジェクトの学際的かつ協力的な性質によって可能になりました。」

△ 収縮多孔度研究のグラフによる要約
LB-PBFの収縮多孔性を克服

金属が冷えて固まると、体積収縮により収縮空洞が発生する場合があります。この収縮が残りの液体金属によって埋められない場合、凝固した微細構造によって金属の流路がブロックされ、最終部品に多孔性が生じる可能性があります。このような欠陥は機械的特性に影響を与え、漏れを引き起こし、最終的には金属部品の機能性と信頼性を低下させる可能性があります。

層ごとの PBF-LB 3D 印刷プロセス中に、これらの収縮空洞が表面近くに現れた場合、再溶融または 3D 印刷後の処理によって除去できます。しかし、金属の奥深くに気孔が形成された場合は、それを除去することができません。

「こうした欠陥は微細構造レベルで発生し、予期していなければ見つけるのは非常に困難です」と研究共著者のフリーデン・テンプルトン氏は説明する。「光学顕微鏡で見ると、小さな研磨傷のように見えることが多いのです。」

研究を通じて、科学者たちは、PBF-LB の収縮は主に、金属の微細構造が凝固するときに発生する二次デンドライトアームの成長によって引き起こされることを発見しました。

テスト中、研究者らは EOS M 290 3D プリンターを使用して、さまざまなレーザー出力、スキャン速度、堆積温度で多数の PBF-LB Alloy 718 部品を印刷しました。結果は部品の品質を調査するためのデータセットに追加されます。

研究チームは、収縮多孔度の深刻度と、レーザー出力、スキャン速度、堆積温度などの特定の 3D 印刷処理条件との間に明確な相関関係があることを発見しました。温度とレーザー出力の増加、およびスキャン速度の低下に伴い、収縮空洞はより深刻になり、溶融池のより深いところに形成されます。

研究者らはこれらの発見を利用して、結果の中で収縮多孔性プロセスのマップを提示した。これらは、金属積層造形のプロセス設計および制御段階で活用することができ、製造業者は 3D 印刷パラメータを通じて収縮空洞を削減および防止することができます。

テンプルトン氏はさらに次のように付け加えた。「これは、500℃に近い高温で印刷するためのプロセスパラメータの開発や、局所的な温度上昇の影響を受けやすい複雑な形状の印刷に取り組んでいる研究者やメーカーにとって特に大きな影響を与えるでしょう。」

△凝固中の金属中に形成される収縮孔の図
研究により粉末床融合3Dプリント技術が向上

ドイツのフラウンホーファー応用研究研究所 L-PBF の所長であるフィリップ・コールウェス氏は、レーザービーム形成の研究によって 3D 印刷プロセスの安定性が 40% 向上すると説明した。

コールウェス氏によると、従来のレーザーのガウス曲線ではエネルギー分布が不均一になり、中央にエネルギーが集中しすぎるという。これにより、材料が蒸発したり、溶接プールの周囲に圧力勾配が生じてスパッタが発生する可能性があります。レーザーの加熱プロセスにより、ビーム経路の周囲に電流も生成され、半焼結粒子が溶融プールに引き戻されます。

これらの課題を克服するために、コールウェスは、より均一なエネルギー分布を実現するためにさまざまな形状のレーザービームを作成する方法について説明します。たとえば、ドーナツプロファイルを使用すると、溶接プール内の温度分布をより均一にすることができます。エネルギー入力がより均一になると、最終的には溶接プール内のエネルギーが増加します。これにより、プロセスの安定性を維持しながら生産性が向上し、コストが削減されます。

「レーザービームのプロファイルをそれぞれの用途に適合させることができれば、エネルギー入力と関連プロセスの安定性が向上します」とコールウェス氏は述べ、ビーム成形研究の可能性を強調しています。

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