金属材料の高スループット調製技術と応用事例

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

ハイスループット材料調製技術は、短期間で組成の異なる多数の新材料を調製することができ、新材料の研究開発と応用を加速することができ、材料ゲノム技術の3大技術要素の1つに挙げられています。金属材料のハイスループット調製には多くの方法がありますが、従来の金属材料のハイスループット調製方法では、調製サイクルが長く、サンプルサイズが小さく、エネルギー消費量が多いという問題があります。積層造形技術の継続的な発展に伴い、積層造形技術を用いた金属材料の高スループット製造も急速に発展し、積層造形高スループット製造は従来の高スループット製造技術に比べて明らかな利点を示しています。
1) 様々な材料の試料を素早く形成できる。
2) ミリメートルスケールを超えるバルクサンプルを準備できます。
3) 研究プロセス中に消費される原材料が少なくなり、経済的になります。

図1 金属材料の高スループット調製法の概要

アンセムアジアパシフィックテクノロジーズ株式会社は、中央鉄鋼研究所と協力し、レーザー選択溶融技術に基づく世界トップクラスの金属材料用高スループット積層造形装置DLM-120HT（装置の詳細についてはリンクをクリック）を開発しました。

DLM-120HT は、異種粉末 3D プリントに基づく新しい金属材料の開発のための高スループット準備プラットフォームです。元素粉末または合金粉末を直接レーザー選択溶融成形に使用します。1回の印刷プロセスで、4種類の粉末と160種類の材料組成比の機械的特性サンプルを作成できます。鋼材、アルミニウム合金、チタン合金、ニッケル基高温合金、高エントロピー合金などの新しい金属材料の組成スクリーニング、性能研究、傾斜材料研究に適しています。

図2 DLM-120HT金属材料高スループット調製プラットフォーム技術ルート

2021年第4回積層造形グローバルイノベーション＆アプリケーションコンペティションにおいて、DLM-120HT高スループット積層造形準備プラットフォームが特別貢献賞を受賞しました。

図3 DLM-120HT金属材料高スループット準備プラットフォームが第4回積層造形グローバルイノベーションアプリケーションコンペティションで特別貢献賞を受賞

金属材料のハイスループット調製の応用事例
1. 迅速な複合化と新しい金属材料の開発<br /> 新しい金属材料を開発する従来のプロセスには、組成設計、合金組成の配合、合金の準備（溶解、鍛造、圧延、熱処理など）、実験的特性評価が含まれます。多種多様な準備装置が必要であり、適切な新しい金属材料を開発するには、準備と特性評価のプロセスで多数の反復が必要です。そのため、新材料の開発サイクルは比較的長くなります。ハイスループット調製プロセスを採用することで、短期間で組成と性能の関係に関する大量のデータを取得できます。その後、産業応用段階に入る前に、使用要件に応じて少量の合金成分をスクリーニングして検証できるため、新しい金属材料の開発サイクルが大幅に短縮されます。現在、この装置は、3Dプリント高温合金、新概念の層状超硬合金、傾斜材料、高エントロピー合金、新しい複合材料の開発と研究に成功裏に使用されています。

図4 金属材料のハイスループット調製と従来の金属材料研究の比較

2. 積層造形材料の組成とプロセスの迅速なスクリーニング<br /> 現在、SLM の製造に使用できる合金の種類はわずかしかなく、SLM 添加剤の製造に使用できる多数の新しい合金を緊急に開発する必要があることは誰もが知っています。しかし、従来のレーザー選択溶融装置を使用して新しい添加剤材料を開発するには、大きな障害があります。
1) 新しい組成研究を行うたびに、合金の粉末調製を行う必要があり、粉末製造コストが高くなります。
2) 研究を行うには粉末を定期的に交換する必要がありますが、従来のレーザー選択溶融装置の粉末交換は面倒であり、粉末経路の清掃も困難です。

この記事で説明した高スループット調製装置は、次のような困難を解決するための研究開発に使用できます。
1) 市販の少量の単一粉末またはプレミックス粉末を自動混合することで、必要な原料要件を満たします。
2) モジュール式で取り外し可能な粉末経路装置により、粉末の交換と装置の清掃が容易になります。

したがって、DLM-120HT 高スループット調製装置を使用して、次のことを実行できます。
1) 粉末組成の研究と迅速なスクリーニング
2) SLM調製プロセスの研究と迅速なスクリーニング
3) SLM調製研究および粉末タイプ（異なる粒子サイズ、球形度、酸素含有量など）の迅速なスクリーニング。

図5: 原料とプロセスのスクリーニングの例

3. 成分が微細構造に与える影響に関する研究<br /> DLM-120HTを使用して、一度に210個の異なる組成のステンレス鋼合金サンプルを準備し、等軸結晶から柱状結晶への遷移の組成比を発見することに成功し、積層造形用のステンレス鋼合金組成の設計の参考になりました。全体の準備サイクルはわずか20時間で、研究開発サイクルとコストが大幅に短縮されました。

図6 組成が微細構造に与える影響に関する研究

金属材料の高スループット調製技術と応用事例

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