科学者らは、アルミニウム部品の超音波3Dプリントが前処理によって金属の機械的強度を高めることができることを確認した。

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-10-27 16:57 に最後に編集されました

2022年10月27日、Antarctic Bearは、研究者グループが超音波3Dプリント（UAM）で前処理されたアルミニウムを強化する方法に関する研究を行ったことを知りました。

△アルミニウム素材の模式図この研究は、テネシー大学、オハイオ州立大学、デンマーク工科大学、オークリッジ国立研究所の科学者が共同で実施した。両社は、アニーリングや T4 焼き戻しなどの前処理が超音波 3D プリントされたアルミニウム部品の微細構造に与える影響を調査しています。それらは材料の熱機械的エネルギー状態に影響を与え、エネルギー的に有利な沈殿物を生成することができます。

△この研究では、アルミニウム（Al 6061）を超音波3Dプリントで接合する前に焼き入れと焼鈍処理をすると、冶金の機械的強度特性が減少するのではなく増加することを示しています。
超音波3Dプリント技術の背景
3D プリンティングは、21 世紀の主要な破壊的技術の 1 つになりました。従来の製造方法に比べて、自由形状設計、マルチマテリアル印刷機能、低コスト、構築後の廃棄物ゼロなど、いくつかの利点があります。

過去数十年にわたり、材料押し出しプロセス、バインダージェッティング、粉末床溶融結合、ステレオリソグラフィー、還元重合、選択的レーザー焼結など、いくつかの付加製造方法が開発されてきました。

近年、超音波 3D プリンティングは、溶接が難しい材料や異種材料の製造において大きな技術的利点を示しています。この方法で処理できる材料には、アルミニウム - チタン、スチール - ニッケル、ニッケル - アルミニウム、アルミニウム - 銅などがあります。応用面では、この技術は、新しい冷却チャネル、強化複合材料、センサー埋め込み構造などのエンジニアリング構造に幅広く使用できます。

超音波3Dプリンティングは、伝統的な加工技術「超音波溶接」をベースにした技術です。このプロセスは、従来の 3D プリントの溶融メカニズムとは異なります。超音波ドライバーが箔に超音波振動を加えます。発生した振動摩擦により、表面の酸化物や汚染物質が除去されます。同時に、新しい薄いシートが元の表面の粗さを埋め、圧力下で瞬時に結合して新しい表面を形成したり、不要な材料を選択的に除去したりします。この技術の最大の利点は、金属 3D プリントを低温で実行できることです。

△Fabrisonic社が開発したハイブリッド積層・積層型3Dプリントシステム「SonicLayer 4000 UAM」
超音波 3D プリント部品の機械的特性の評価<br /> この技術を使用して製造された部品の機械的特性を評価するために、さまざまな試験方法を使用できます。これらには、引張試験、せん断試験、ナノインデンテーション試験、およびマイクロ硬度試験が含まれます。

せん断試験は、印刷された部品の結合強度を最初に調査するためによく使用されます。縦方向引張試験は、構造全体の機械的特性に関する最良の情報を提供します。ただし、ビルド方向引張テストでは、最も弱いインターフェースのみがテストされるため、初期せん断テストよりも多くの情報は提供されません。

有限要素モデルは、課せられた塑性変形と転位密度の増加との関係を調査するためにも使用されました。この変形作用により、印刷された材料の粒子サイズが微細化されます。この研究では、印刷された界面のナノスケールの空隙が材料の強度を向上させる可能性があり、分散した転位をブロックする効果が重要な役割を果たしていることが示されました。

これまでの研究では、超音波で部品を 3D プリントすると界面に微細孔とせん断帯が生成されることが示されています。引張荷重を受けると、界面は微小空隙の合体による脆性破壊などの悪影響を被り、空隙の生成や亀裂につながる可能性があります。一部の研究者は、バルク値と比較してビルド強度が低下することを観察しました。

超音波 3D プリンティングでは、プロセス中の高ひずみ率の塑性変形により、材料の微細構造に大きな変化が生じる可能性があります。点欠陥空孔と転位構造が形成される可能性はあるが、これまでのところ、これを裏付ける実験的証拠は不足している。しかし、いくつかの研究では、溶接部品は他の方法で製造された部品よりも早く劣化することが示されています。

△研究結果は「超音波3Dプリントにおける前処理アルミニウムの強化」というタイトルでサイエンスダイレクトに掲載されました（ポータル）
研究成果<br /> 研究チームは、前処理済みのアルミニウムサンプルに対して転がりx方向引張試験を実施し、これらの部品の超音波積層造形による微細構造の進化と強化効果を明らかにしました。 Al 6061のT4焼戻しおよびO焼鈍条件を評価しました。

引張試験の結果、接合された材料の強度が大幅に向上したことが示され、ナノインデンテーション試験では、接合されたアルミニウム部品の箔界面がバルク箔よりもはるかに強力であることが示されました。全体的な強化は、結合された材料の界面領域における格子変化によって引き起こされます。

動的再結晶と回復、および断熱加熱により、Al 格子の歪みの増加、単一空孔の空孔クラスターへの融合、点欠陥空孔の生成、印刷材料と接着材料の両方における粒径の微細化などの微細構造の変化が起こります。さらに、マグネシウムの拡散とMg2Si沈殿物の溶解が促進されることが観察されました。

研究チームが指摘しているように、将来の研究の方向性としては、接合温度、誘起塑性ひずみ速度、材料の内部ひずみエネルギーなどの処理パラメータを変更することで塑性変形速度の大きさを変えることが考えられる。

この論文は、超音波積層造形と前処理が機械的強度特性と微細構造の進化に及ぼす影響に関する予備研究を提供するとともに、将来の研究のための詳細な知識基盤を提供します。

この論文は、空軍国立研究所や米国エネルギー省などの組織から資金提供を受けた。

科学者らは、アルミニウム部品の超音波3Dプリントが前処理によって金属の機械的強度を高めることができることを確認した。

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