Nature サブジャーナル: ナノ粒子による 3D プリントの欠陥の削減とプロセス安定性の向上

出典: 材料科学と工学

レーザー粉末床融合 (LPBF) 積層造形プロセスでは、レーザー粉末床の局所的な相互作用による固有のプロセス不安定性により、さまざまな欠陥が容易に形成されます。特に、大きなスパッタがランダムに形成されると、打撃を受けた部品に予期せぬ欠陥が生じる可能性があります。

ここで、ウィスコンシン大学マディソン校の Lianyi Chen 氏らは、ナノ粒子を使用してレーザーと粉末床の相互作用の不安定性を制御することで、大きなスパッタを排除したと報告しています。大量の飛散物を排除することで、3D プリントされたサンプルは一貫性が高まり、パフォーマンスが向上します。研究者らは、あらゆる種類の大きな飛沫を排除するために連携して機能する2つのメカニズムを発見した。(1)ナノ粒子が溶融池の変動を制御し、液体の破裂によって引き起こされる大きな飛沫を排除する。(2)ナノ粒子が液滴の凝集を制御し、液滴の衝突によって引き起こされる大きな飛沫を排除する。ナノ粒子は、溶融池の変動を安定させ、同時に液滴の合体を防ぐことができるため、欠陥のない金属積層造形を実現するための潜在的なアプローチとなります。

「欠陥の少ない金属積層造形におけるプロセス不安定性の制御」と題する関連論文が Nature Communications に掲載されました。

論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-022-28649-2

レーザーパウダーベッドフュージョン (LPBF) は、集中した高エネルギーレーザービームを使用して金属粉末の薄い層を選択的に溶かし、CAD モデルを部品に直接変換します。集束ビームのサイズが小さい（約 50 ～ 100 μm）ことで得られる高い空間分解能により、LPBF では、図 1a に示すように、従来の製造方法では実現できない複雑な形状の金属部品を製造することができ、多くの業界（航空宇宙、医療、防衛など）に革命を起こす可能性があります。しかし、粉末床をレーザーで集中的に加熱すると、プロセスが著しく不安定になり、図 1b、c に示すように、さまざまな欠陥が形成される可能性があります。高エネルギーのレーザービームが粉末層に当たると、レーザーによる局所的な加熱によって表面が沸騰し、強力な蒸気ジェットが形成されます。蒸気ジェットによって発生する反動圧力により溶融表面が下方に押し下げられ、蒸気圧降下（圧力降下ゾーンまたはキーホールとも呼ばれる）が形成されます。蒸気ジェットの高速上向き蒸気流により粉末と液滴が噴出されて飛沫が形成され、周囲のガスがレーザービームに向かって流れ、粉末の巻き込みが発生します。

図 1 ナノ粒子は LPBF 内の大きな飛沫を排除します。
レーザー吸収率は入射角に大きく依存するため、エネルギー吸収が不均一になると蒸発も不均一になり、溶融池表面（液体とガスの界面）に反動圧力が不均一になります。不均一な反動圧力は液体と気体の界面に変動を引き起こし、それがレーザーエネルギーの吸収と蒸気圧の変動を引き起こします。相互に支え合うエネルギー吸収変動と液面変動により、溶融プール/ガス相抑制変動やガス相流駆動のスプラッシュ衝突など、レーザーと粉末床の相互作用に強い不安定性が生じます。蒸気の圧力降下の変動により溶融池内の液体が分解し、ガス駆動の飛沫の衝突によりより大きな飛沫（ここでは 100 μm を超える飛沫と定義）が形成される可能性があります。

大きなスパッタがランダムに形成されることが、LPBF プロセスにおける予測不可能な欠陥形成の主な原因であり、重大な処理障害 (再コーティングの詰まり、粉末床の凹凸、表面ピット、ボールミル、溶融トラッキングの歪みなど) や印刷部品の欠陥 (溶融多孔性の欠如、介在物など) につながる可能性があるため、品質管理の大きな課題となります。予測できない欠陥による部品品質の一貫性のなさは、さまざまな業界、特にミッションクリティカルなアプリケーションで LPBF を広く採用する上で最大の障害となっています。

プロセスパラメータの調整では、レーザーと粉末床の間の局所的な相互作用の性質を変えることはできないため、プロセス条件を最適化するためのこれまでの取り組みでは、スパッタリングの量を変えることはできても、より大きなスパッタリングを排除することはできません。大きな飛沫のランダムな形成を排除することは依然として課題です。

ここで研究者らは、ナノ粒子を使用してレーザーと粉末床の相互作用の不安定性を制御することで、大きなスパッタを排除したと報告しています。欠陥の原因となる大きな飛散物を排除し、一貫性とパフォーマンスが向上したリーンサンプルを 3D プリントします。研究では、2つのメカニズムが相乗的に作用して、さまざまな種類の大きな飛沫を排除することがわかりました。(1)ナノ粒子が溶融池の変動を制御し、液体の破裂によって引き起こされる大きな飛沫を排除します。(2)ナノ粒子が液滴の凝集を制御し、液滴の衝突によって引き起こされる大きな飛沫を排除します。この研究で発見されたナノ粒子は、溶融池の変動を安定させ、同時に液滴の凝集を防ぐことができ、欠陥の少ない金属積層造形を実現するための潜在的な道筋を提供します。

図2 微細構造と特性図 3 ナノ粒子は液体の破裂を防ぎます。図4 ナノ粒子は飛沫凝集を防ぎます。
要約すると、研究者らは、ナノ粒子が溶融池の変動を安定させ、液滴の凝集を防ぐことでレーザーと粉末床の相互作用の不安定性を制御し、大きな飛散を排除し、一貫性が高く特性が向上した欠陥の少ない、あるいは欠陥のないサンプルを印刷できることを発見し、実証しました。ナノ粒子はレーザーと物質の相互作用の不安定性を制御し、金属付加製造における欠陥を減らす実行可能なアプローチを提供します。

Nature サブジャーナル: ナノ粒子による 3D プリントの欠陥の削減とプロセス安定性の向上

エアロジェット、3Dプリントロケットエンジン検査基準の開発で米軍から600万ドルの受注を獲得

上海宇宙推進研究所等宇宙推進における積層造形技術の応用

マイクロゲル二相性インクバフが灌流血管ネットワーク心室モデルのバイオプリンティングの問題を解決

ウォーラーズレポート2024が発表：付加製造業界が初めて200億ドルを超える

江蘇ウェラリは江蘇省の潜在的ユニコーン企業リストに載っており、金属3Dプリント材料の革新をリードしている。

「中国航空宇宙3Dプリントセンター」が山東省新台に設立され、丁偉科技と南京神州航空宇宙科技が契約を締結した。

遼寧省金属付加製造イノベーション技術フォーラムが成功裏に終了

私の国で積層造形分野における最初の専門誌、AMF の創刊号が創刊されました!

公園内に12のプロジェクトが定着し、11の業界標準が推進され、2020年のスプリングバレーのトップ10イベントがレビューされました

富志科技CEO馮華氏の2024年の展望：3Dプリント業界は内部の強さを養い、安定した発展を目指す必要がある

推薦する

顕著な縦波伝搬特性を持つミウラ折り紙管状準ゼロ剛性メタマテリアルの積層造形

[動画] 宇宙のブラックテクノロジー - 3Dフードプリンターで10分で月餅を作る方法

アメジストキューブ3Dプリント講座が中関村ロボット広場に開設

ANTAは3Dプリントされた靴底をカスタマイズし、KETPAIは福建省の産業アップグレードを支援して「最強の頭脳」を導入

何百枚もの写真で、Antarctic Bearが2018 TCT Asia 3D Printing Exhibitionをご案内します

2024年の収益で金属積層造形企業トップ10にランクインした中国企業は4社

GE初の優秀工場が稼働開始、3Dプリント金属部品を使ったジェットエンジンを生産へ

ライブ放送: 杭州 2017 中国付加製造カンファレンスおよび展示会 (AMCC2017)

「仙林静英杯」高精度3D復元コンテスト決勝戦が成功裏に開催され、高精度3Dスキャンの新たな「視覚」の世界を探求

アルミ合金とチタン合金の年間生産能力は400トンを超え、中鉄新材料は金属3Dプリント材料の産業化を推進している。

3Dプリント記憶合金、中国における現在の開発状況

金属3Dプリンターメーカーの永年レーザーが江蘇省の「最も有望なハイテク企業」の称号を獲得

オールインワンの 3D プリント方式により、走ったりジャンプしたり自律的に判断したりできるロボットをワンステップで構築できます。

実用情報 | 3Dプリントに対する政府の支援、開発の機会、現在の障害

3Dプリント皮膚は独身者のための「福祉」になるかもしれない