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

上海交通大学の3Dプリントセラミックアルミニウム材料プロジェクトが第9回「インターネット+」コンテスト上海部門で優勝

グラスゴー大学が微小重力3Dプリントシステムを開発

[分析] 胸部・心臓血管外科における3Dプリント技術の研究の進歩

自然！その場X線イメージングとマルチフィジックスモデリングにより、DEDの細孔進化メカニズムが明らかに

レッドワイヤー、軍人向けの新治療法研究のため改良型3DバイオプリンターをISSに打ち上げる

オートデスク、カール・バスCEOと取締役2名の辞任を発表

ピザが食べたいですか?では、テイクアウト用に 3D プリントされたドローンを注文しましょう!

サウジアラビアの建設会社ダル・アル・アルカンが中東初の2階建て3Dプリント住宅の建設を開始

エアバス・ヘリコプターズは、ギアなどの試作品部品の製造にFDM 3Dプリンターを使用しています。

連続繊維強化複合材が新たなブレークスルーを達成：CCF/PEEK 3Dプリントが高性能複合構造製造の可能性を探る

推薦する

抗生物質を配合した 3D プリント多孔質タンタル人工器官が、関節感染症の患者に希望をもたらします。

Oqton と Baker Hughes が商業提携を締結し、大規模な積層造形向けの完全なソフトウェアソリューションを提供

優れた高温強度を持つ強靭な0.4MoNbxTaTi耐火高エントロピー合金

アラブ首長国連邦のモデスト社は、中東および東アフリカに積層造形アプリケーションサービスセンターを建設するため、5台のファルスーン機器を導入した。

eSUNは、ジュエリー、歯科、バイオベース、一般向けの4つの新しい3Dプリント感光性樹脂を発売しました。

産業用3Dプリンティング：まだ初期段階にある技術革命

eSUNはRAPID + TCT 2024に多数の新製品を発表します

SINTERITが新しいデスクトップSLS 3Dプリンターをリリース、海外価格はわずか10万元

中国科学院寧波材料研究所とYunzhu 3Dが共同でレーザーリーン積層造形共同研究室を建設

四川付加製造技術協会は、四川の3Dプリントが新たなレベルに到達するのを支援するために設立されました。

3Dプリントされた足場が科学者の骨がんと闘う新たな方法の発見に役立つ

アマゾンの3Dプリント配達ドローンが公開

お知らせ：国内大手デスクトップ3DプリンターメーカーFlashforge Technologyが9月上旬にプロモーションを開催

3DプリントのWindform複合可視セキュリティヘルメットが航空宇宙および防衛のイノベーションを加速

炭素繊維の3D統合織り技術が軍民融合の機会をもたらす