北京理工大学の学者チームは、国産のマルチレーザー金属3Dプリント装置を使用して高速鉄道のブレーキディスクを準備し、プロセスパラメータの最適化を検討しました。

出典: 積層造形技術フロンティア

積層造形技術で製造された部品は残留応力が大きいため、大型部品の積層造形は依然として困難です。北京理工大学、中国軍装工学院国家装備再生重点研究室、シンガポール国立大学などの研究機関の研究者らは、プロセス、構造、性能を組み合わせて部品の成形品質を制御する方法を提案した。彼らは高速鉄道のブレーキディスクを検証例として、マルチレーザー選択的レーザー溶融（ML-SLM）を使用して大型製品を製造した。この研究では、プロセスパラメータの最適化、機械的特性の分布、構造設計などが検討され、関連する研究成果はトップクラスの材料科学ジャーナル「Materials & Design」に掲載されました。

選択的レーザー溶融 (SLM) は、高出力レーザーを使用して金属粉末を溶融し、3 次元部品を層ごとに構築する技術です。SLM では、気孔率が 0.1% 未満の高密度部品を製造できることが実証されています。したがって、優れた機械的特性を持つ部品を製造するのに最適です。さらに、SLM を使用すると、複雑な形状の部品を製造できるため、製品設計の可能性が大幅に広がります。しかし、部品サイズの制限、加工可能な材料の範囲の狭さ、成形品質の低さなど、積層造形 (AM) 技術の制限により、これらの利点は十分に活用されていません。通常、単一レーザーシステムのビルドチャンバーのサイズは 300 mm x 300 mm 未満ですが、輸送業界や航空宇宙業界で需要が高い大型で複雑な部品を製造するには不十分です。

近年、マルチレーザー選択的レーザー溶融技術が急速に発展しており、2つ以上のレーザーを使用して成形サイズを同時に拡大し、生産性を向上させています。 24CrNiMo は、優れた摩擦特性、機械特性、高温での構造安定性を備えた高強度低合金鋼です。時速 250 km を超える高速鉄道のブレーキディスクの製造に広く使用されています。既存の 24CrNiMo は AM プロセスには適していないため、化学組成を調整することで成形品質を向上させることができます。現在、著者チームはSLM技術のための24CrNiMoの材料設計と形成メカニズムについて広範な研究を行ってきました。しかし、この材料の応用はまだ検証および研究されていません。したがって、本研究では、高性能製品を得るための大型合金鋼部品の品質管理に焦点を当てています。成形品質と生産性の両方を考慮した最適な組み合わせを得るために、主にプロセスパラメータと気孔特性の関係について議論します。さまざまな領域とさまざまな条件下での機械的特性をテストし、成形品質と性能の一貫性を調べます。最後に、新しいブレーキディスクはマルチレーザー金属 3D プリント技術を使用して製造され、初めてテストされました。

本研究で使用した24CrNiMo合金鋼粉末は、真空誘導ガスアトマイズ法によって製造された。 24CrNiMo 粉末の粒子サイズは 18.7 ～ 144 μm の範囲で、平均直径は約 53 μm です。すべてのサンプルと部品は、ビーム径約100μm、成形チャンバーサイズ655mm×655mm×800mmの500Wファイバーレーザー4台を搭載したE-Plus M650 SLM積層造形機で製造されました。印刷プロセス中、ベースプレートは 60°C に加熱され、シールドガスとして高純度窒素が使用され、酸素含有量が 0.1% 未満に保たれるようにしました。

ほとんどのサンプルの多孔度は 0.1% 未満であり、エネルギー密度が増加するにつれて減少します。十分なエネルギーがあれば金属粉末をより完全に溶融でき、それによって気孔や介在物などの欠陥の形成を減らすことができます。エネルギー密度が特定の値に達すると、多孔性はほとんど変化せず、あるいは増加します。

基板上の試料は、システム内で動作する 4 つのレーザーに対応する異なる形成領域に分割され、各領域の境界に重複領域が存在します。単一レーザーシステムの中断のないスキャンアプローチとは異なり、重なり合う領域の構造は 2 つのステップで形成されます。最初に半分を形成し、次に隣接するレーザーを一定期間使用してもう半分を形成します。成形品質の一貫性を調査し、さまざまな領域で製造された試験片の機械的特性をテストします。結果は、異なる地域からのサンプルの標準偏差が統計的観点からパフォーマンスの一貫性を反映していることを示しました。伸びは一般的に強度に反比例しますが、引張試験の結果は、高い強度と靭性が得られると期待される従来の方法とは異なる傾向を示しました。優れた引張特性により、成形品質が向上するだけでなく、製品の性能も向上します。

研究者らはまた、単一レーザーと重複領域で熱処理したサンプルの衝撃エネルギーを、鋳造で作ったサンプルの衝撃エネルギー（29 J）と比較した。単一レーザー領域の平均衝撃エネルギーは101 J、重複領域の平均衝撃エネルギーは113 Jで、どちらも鋳造サンプルよりも優れていた。衝撃破壊面には多数の小さなディンプルがあり、これは典型的な延性破壊の特徴です。 SLM が製造する 24CrNiMo 試験片は、従来の技術と比較して強度と靭性が高く、より大きな変形に耐える部品を製造できます。適切な熱処理プロセスにより残留応力を解放し、性能の一貫性を向上させることができますが、強度はある程度低下します。 SLM 技術は、強度と靭性のトレードオフを克服する潜在的な方法を提供し、ブレーキディスクの破損の問題を解決する可能性があります。

最後に、著者チームは、SLM 技術で準備されたブレーキディスクを機械加工し、圧縮空気を使用して中空構造内の未溶融金属粉末を除去して熱処理中の焼結を防ぎ、ワイヤー切断機を使用して熱処理後に部品を基板から取り外し、手作業ではなく工作機械を使用して薄壁のサポート構造を除去しました。 SLM 技術を使用して製造されたブレーキディスクは、従来の製造方法と比較して処理手順が大幅に短縮されており、この技術の使用は新製品の開発の探求に役立ちます。

結論として、この研究は、大型合金鋼部品の品質管理の参考となると同時に、機能性製品に対する積層造形技術の潜在的な利点を実証するものと期待されます。主な結論は次のようにまとめられます。プロセスパラメータと多孔性の間には密接な関係があり、特に大型部品の場合、成形効率にも影響します。熱入力が増加すると多孔度は減少しますが、熱入力が過剰になると多孔度と細孔サイズが増加します。適切なレーザー出力と高いスキャン速度は大型部品に適しており、成形品質を向上させます。 SLM テクノロジーは強度と靭性の関係を改善できます。 SLM 技術は、成形サイズを拡大し、生産性を向上させ、さまざまな領域の機械的特性と成形品質の一貫性を保つことができます。適切な熱処理により残留応力を解放し、性能のばらつきを小さく抑え、さらに単一レーザー領域とオーバーラップ領域間の性能差を低減することができます。準備されたブレーキディスクのベンチテストでは、SLM によって準備されたブレーキディスクは、連続ブレーキング中に摩擦係数がより集中し、温度分布がより均一であることが示され、機能製品における付加製造技術の潜在的な利点が示されました。

北京理工大学の学者チームは、国産のマルチレーザー金属3Dプリント装置を使用して高速鉄道のブレーキディスクを準備し、プロセスパラメータの最適化を検討しました。

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