複合レーザー粉末床溶融結合法 (LPBF) は、ガラスの非晶質、非結晶構造を維持しながら金属ガラスを印刷します。

この投稿は Coco Bear によって 2023-11-27 23:14 に最後に編集されました

金属ガラス (MG) またはアモルファス金属は、従来の金属の整然とした格子とは異なり、無秩序な原子構造を持つ材料であり、この独自の構造により、優れた強度、硬度、弾性、耐腐食性を備えています。これらの特性により、電子機器から航空宇宙に至るまで、さまざまな用途に適しています。付加製造（AM）は、溶融材料を急速に冷却する能力があるため、金属ガラスなどの材料を扱うのに特に適しています。これは、ガラスの非晶質、非結晶構造を維持するために重要であり、また、従来の製造方法では実現が難しいことが多い複雑な形状や幾何学形状の精密な製造も可能にします。

Lukasz Zrodowski 氏は、金属積層造形分野における先駆的な発明家であり、MG 印刷、超音波霧化技術、自動サポート除去を専門としています。現在、彼は自身の会社 AMAZEMET とワルシャワ工科大学で約 17 人のエンジニアと研究者からなるダイナミックなチームを率いています。 2023 年 11 月、Lukasz 氏は、金属ガラスとその複合材料のレーザー粉末ベッド溶融結合 (LPBF) と積層造形のための材料固有設計 (DfAM) に関する先駆的な研究から得た洞察を共有しました。

△ルカス・ズロドフスキ

研究概要
Lukasz 氏のグループによる MG とその複合材料の LPBF に関する最近の研究は、特に材料科学と製造の分野で科学界から注目を集めています。 Lukasz 氏は、彼らの研究は主に LPBF を MG とその複合材料に適用することに焦点を当てていると述べました。金属ガラスは 1960 年代に発見され、独特の軟磁性特性で知られています。しかし、延性の低さや製造プロセスの複雑さなどの課題により、構造材料としての可能性は限られています。

ルカス氏は研究の中で、LPBF プロセスを使用して高度に配向した結晶性非晶質複合材料を製造する戦略を紹介しました。
● AMZ4（ラルフ・ブッシュ教授設計）や等原子CuZrなどの特定のアモルファス合金を、新しい2段階溶融法と超高圧熱間静水圧プレス（HIP）で製造します。

●AMAZEMETの超音波霧化技術を用いて霧化を行い、顕著な成果を達成しました。

●レーザーパラメータを調整することで、完全にアモルファス材料でできた部品を製造できます。

●さらに、積層非晶質構造をベースに、特定の幾何学的微細構造設計を有する複合材料を作成することもできます。

Lukasz の研究は、非平衡相分布の設計に新たな可能性を開き、LPBF やその他の粉末床融合技術を使用して部品の微細構造を設計する可能性を提供します。研究者たちは、このアプローチが、特に将来商業化が進むと予想されるバルク金属ガラスの分野で、製品の設計と製造に革命をもたらす可能性があると考えています。

課題と機会
LPBF は、製品の設計と製造に革命を起こす可能性を秘めた積層造形技術です。Lukasz の研究チームは、DfAM の概念を MG とその複合材料にも適用しました。 MG は一貫して有望な機械的特性と化学的特性を示しています。しかし、延性の低さや従来の製造プロセスの複雑さなどの固有の課題により、構造材料としての用途は限られています。例えば、MGの射出成形には高純度の原材料と高価な金型が必要になります。さらに、多くの MG 組成物が発見されているものの、経済的に実行可能なガラス形成能力、強靭性、および加工性の理想的な組み合わせを備えているのはほんのわずかです。

LPBF を通じて、この研究は、機械加工性の悪さや鋳造直径の制限など、MG の従来の製造上の課題のいくつかをうまく克服しました。ただし、LPBF では MG を扱う際に独自の課題も生じます。 MG の準安定特性のため、LPBF を最適化するには通常、多孔性と結晶含有量の制御のバランスを取る必要があります。 LPBF プロセスにおける高エネルギー密度は多孔性を低減しますが、通常は材料欠陥とみなされる熱影響部 (HAZ) の失透を加速する可能性もあります。

Lukasz の方法は DfAM 原理の影響を受けており、2 段階の溶解戦略を採用しています。このアプローチでは、レーザーと粉末の相互作用を最終的な緻密化および微細構造設計段階から分離します。したがって、過度の熱蓄積を回避しながら、ほぼ高密度の MG とその複合材料を生産することができます。この技術は、従来の MG 製造の課題を解決するだけでなく、さまざまな業界で革新的な MG アプリケーションへの扉を開きます。

△LPBF中の金属ガラス結晶化の制御プロセス

研究資料
ルーカスの研究は、ラルフ・ブッシュが開発したバルク金属ガラス (BMG) 研究におけるベンチマーク合金 AMZ4 (Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5) に焦点を当てています。 2017 年、AMZ4 は球状粉末の形で入手可能な数少ないガラス形成合金の 1 つでした。研究者らは概念実証として、超音波噴霧法で噴霧化した等原子CuZrアモルファス合金にこの印刷戦略を適用した。ただし、これらの合金はもともと LPBF 用に開発されたものではなく、LPBF 専用に設計された特定の MG 組成を持つ合金についてはさらなる研究が必要です。

AMAZEMET が開発した超音波噴霧器 (rePOWDER) は、最近噴霧化された Ti-S BMG などの有望な新しい合金の開発を加速します。デュースブルク＝エッセン大学の研究者らは、これらの合金が高密度かつ非晶質の部品を形成できる可能性を実証し、この分野における重要な前進を示した。

△金属ガラス部品

今後の展開<br /> 当社のアプローチを使用して LPBF 経由で MG を印刷するには、一部の標準的な産業用ソフトウェアの機能を超える可能性のある複雑な LPBF スキャン戦略が必要です。単純なジオメトリに対するこれらの戦略は、いくつかのソフトウェアトリックを使用して手動で実装できます。ただし、複雑な形状の場合、特に複合材料の場合は、自動化されたレーザースキャン戦略の開発が必要です。このプロセスを容易にし、この技術の産業化を促進するには、新しい LPBF モデルが必要です。これらのモデルでは、非平衡相転移と非晶質相の結晶化を考慮する必要があります。

MG 印刷では、材料への熱入力を効果的に管理することが重要です。そのため、適切なソフトウェアと統合されたサーマルカメラや高温計などのアクティブなプロセス制御がプリンターに導入されます。これらの制御により、熱の蓄積による局所的な失透や応力集中によるひび割れなど、MG を使用して複雑な形状を印刷する際の現在の課題に対する解決策が得られる可能性があります。

△メタルグラスギア

実験手順

• 材料の選択: 当初は、商業的に入手可能であること、優れたガラス形成能力、およびその他の好ましい特性のため、AMZ4 合金が使用されました。

●レーザー溶融はRealizer SLM 50マシンを使用して材料を加工します。 LPBF プロセスの最適化は、バルク材料と粉末での単一トラックの作成、スキャン戦略の検証、レーザーパラメータの微調整の 3 つの段階に分かれています。

● 後処理：レーザー溶融プロセスの後、熱間等方圧プレス（HIP）を使用して最終的な緻密化を実現します。

● 熱分析：示差走査熱量測定（DSC）を使用してガラス相の含有量を定量化します。

● 微細構造特性評価: 予備的な特性評価には光学顕微鏡を使用し、サンプル内の結晶を識別するには電子顕微鏡 (SEM および STEM を含む) を使用し、サンプルの内部多孔性を詳細に評価するにはマイクロ CT 検査を実行します。

● 機械試験：サンプルを4点曲げ試験にかけ、機械的特性を評価しました。耐摩耗性を評価するために、ピンオンディスクテストも使用されました。

ナノインデンテーション: 複合サンプルの硬度と弾性率をマッピングするために使用されます。

●CuZr 材料への応用: 概念実証として、同じ印刷戦略を CuZr 材料にも適用できます。

並行して、MG複合材の印刷に関する特許が商品化され、その後、超音波噴霧器を製造する会社が設立され、現在では60名を超える従業員を抱えています。

応用分野<br /> LPBF を使用して印刷された MG 合金の現在の制限 (結晶相の高脆性など) により、DfAM を使用して最適化された形状と微細構造を持つ複合部品を設計する可能性が十分に引き出せません。特殊な合金が開発されるにつれて、新たな用途が生まれます。

●例えば、形状（格子構造）や微細構造により、剛性などの材料特性を単一部品上でカスタマイズしたインプラントなど。

●電気モーターのローター。アモルファス相と結晶相の異なる保磁力により、より効率的なローター設計が可能になります。

複合微細構造を備えた DfAM の概念は、他の非ガラス形成合金でさらに探求することができ、その場合、その場での局所熱処理の概念によって、付加製造のための微細構造設計という別の次元を追加できます。

Lukasz Zrodowski 氏と彼の AMAZEMET チームによるワルシャワ工科大学との共同研究は、AM と MG の分野における大きな飛躍を表しています。 LPBF を革新的に使用して高度に配向した結晶非晶質複合材料を製造するという彼らの手法は、材料科学と製造に革命を起こす可能性を示しています。従来の金属ガラス製造に伴う課題に対処し、独自の 2 段階溶融戦略を採用することで、これらの材料の実現可能性を高めただけでなく、さまざまな業界での応用の新たな道を切り開きました。金属ガラスを使用した DfAM の将来は有望で、医療用インプラントからより効率的なモーターの設計まで、さまざまな用途が考えられます。この画期的な研究は、MG複合材料のさらなる研究と商品化への道を開き、これらの材料の科学的研究と実用化における大きな進歩を示すものです。

複合レーザー粉末床溶融結合法 (LPBF) は、ガラスの非晶質、非結晶構造を維持しながら金属ガラスを印刷します。

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