ヘリオット・ワット大学が金属3Dプリント製造における欠陥を減らす方法を発見

この投稿は Bingdunxiong によって 2022-5-31 16:15 に最後に編集されました

南極熊の紹介: 積層造形は 3D プリントの技術名称であり、さまざまな材料処理技術が含まれますが、その中で最も広く使用されているのはレーザー粉末床溶融結合 (LPBF) です。これは、高出力レーザーによって供給される強力な熱によって結合された金属粉末粒子の薄い層を広げることによって機能します。しかし、このプロセスにより小さな気孔が形成され、全体の構造が弱まります。

△写真は3Dプリント工程で発生する可能性のある欠陥を示しています。照射された表面から金属種が蒸発すると、窪み（下）と煙（上）が形成されます。これらは最初は安定していますが、材料にエネルギーが蓄積されるにつれて不安定になります。3D プリントで形成される空隙は、特に高信頼性コンポーネントを大量に製造する場合、全体的な構造にとって致命的な欠陥となります。過去 3 年間、エディンバラのヘリオットワット大学フォトニクスおよび量子科学研究所のエンジニアたちは、将来の 3D 印刷プロセスによって生じる欠陥を軽減することを目標に、LPBF プロセスの背後にある基礎物理学を研究してきました。

ヘリオット・ワット大学のフォトニクスおよび量子科学研究所の研究員であるイオアニス・ビタラス博士は次のように説明した。「私たちの研究では、レーザー光が金属粒子と相互作用するときの物質のあらゆる状態間の相互作用を視覚化しました。

△ 蒸気発生解析：a 測定された表面陥没深さ。第一段階では、キーホールの深さが徐々に増加し、急速な掘削によって第二段階に移行します。キーホールの不安定性により、貫通力は時間の経過とともにますます変動します。 b 両方のデータセットにおいて、システムが不安定になるにつれて、フレームごとの合計変化は時間の経過とともに増加します。液体と気体の現象の強い結合により、キーホールの進化のステージ I ～ III が両方のデータセットで確認できます。

「3D プリントのプロセス中、高出力レーザーを金属に当てると、粒子が融合して少量の液体金属が生成されます。この段階で、少量の金属が蒸発して液体に押し付けられ、溶融池の中央に空洞が形成されます。この空洞はキーホールとも呼ばれ、不安定になって崩壊し、材料に多孔性が生じる可能性があります。同時に、蒸気がキーホールから上向きに噴出され、粒子と相互作用して拡散層を破壊するプルームを形成します。

「これにより、部品全体に小さな欠陥が散在し、多くのメーカーにとって許容できないレベルの多孔性につながります」と彼は説明します。「私たちが撮影した画像により、この種の相互作用の全体像が初めて明らかになり、何が起きているのかが確実にわかりました。」

△ 異なる入力エネルギー密度での粉末ありと粉末なしのラインスキャン画像の比較チームは、X 線とシュリーレン画像を同時に使用して、印刷プロセス中に存在するガス、蒸気、液体、固体の各相間の相互作用を分析しました。彼らは、金属の蒸発によって放出される蒸気の挙動と溶融物質の全体的な安定性との間に直接的な関連があることを発見した。プルームが動的であるほど、材料は不安定で多孔質になります。しかし、レーザーのパラメータを微調整することで（例えば、出力、焦点スポットのサイズ、スキャン速度など）、チームはプルームと溶融プールの安定性を制御し、印刷された構造をより一貫したものにできることを発見しました。

プルームを視覚化して監視できる「プロセスシグネチャ」として使用すると、航空宇宙、自動車、ヘルスケア、防衛など、高性能コンポーネントに依存するさまざまな業界にとって大きな市場性が生まれます。

同グループのアンドリュー・ムーア教授は次のように述べている。「3Dプリント技術には大きな期待が寄せられているものの、プリントされた部品の欠陥が依然として金属3Dプリントの真の性能を妨げています。これまでの研究では、液体金属や粒子の挙動に基づいて欠陥を検出し予測することに重点が置かれてきましたが、溶融池の上に発生する蒸気の噴流や煙の影響は見過ごされてきました。」

△この研究論文は、科学誌「ネイチャーコミュニケーションズ」に「レーザー粉末床溶融結合における気相、液相、固相間の相互作用」と題して掲載されました（詳細はこちらをご覧ください。ポータルをクリックしてください）https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z
「私たちの新しい発見により、将来的にはこうした欠陥を大幅に減らし、故障の可能性が低い部品を生産できるようになります。この研究により、金属 3D プリント製造における欠陥を特定して防止するためのプロセスの監視と分析を改善できるツールの作成が可能になると考えています。さらに、大気の影響や粉末の動きなど、より予測的なマルチフィジックスモデルをサポートし、正確な事前アルゴリズムによるプロセス分析が可能になります。」

この研究は、英国唯一の LPBF システム製造業者である Renishaw とヘリオットワット大学との戦略的提携によってサポートされています。チームは今後も徹底的な研究を続け、新たな発見を活用して 3D プリントのプロセスを改善していきます。

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