LLNL、わずか数分で金属3Dプリントの欠陥を検出する新技術を開発

2022年4月29日、アンタークティックベアは、ローレンスリバモア国立研究所（LLNL）の研究者が、レーザー粉末床溶融結合（LPBF）金属3Dプリントにおける微細な表面および表面下の欠陥をリアルタイムで監視できる新しいレーザー超音波（SAW）ベースの検出方法を開発したことを知りました。

△金属3Dプリントのサンプル写真。 Googleからの画像
研究チームは、開発したシステムはレーザー溶融プール、空隙、表面の特徴を迅速に検出し、レーザー溶融ライン（LPBF印刷でレーザーが金属粉末を液化する経路）を効果的かつ正確に評価できると主張している。これらの発見は、光学顕微鏡とX線断層撮影（CT）を使用して検証された。

研究開発目的
「この研究によって、全光学式超音波システムを使用して、LPBF と粉末プロセスをその場で迅速かつ正確に特性評価できることが実証されることを期待しています」と、LLNL のエンジニア兼主任研究員である David Stobbe 氏は述べています。「レーザーベースの超音波、表面弾性波システムは、LPBF の溶融ラインの破損、金属表面のスパッタ、内部の多孔性など、表面および表面付近の特徴に対して優れた感度を示します。」

音波は歴史的に、工学材料の亀裂、穴、溶接部などの表面および表面付近の特徴を分析するために、また地質学では洞窟などの地下の特徴を検出するために使用されてきました。研究者によると、SAW は表面と表面近傍の感度特性を備えているため、LPBF 印刷におけるレーザー溶融プールの分析に適しています。

△実験測定値は、シミュレーション結果および溶融ライン形状の光学測定値とよく一致しています。論文の詳細情報はこちら：Kathryn Jinae Harke 他「先進製造材料の表面および表面下の特徴のレーザーベースの超音波分析」、Scientific Reports (2022)。 DOI: 10.1038/s41598-022-07261-w (転送するにはここをクリック)
上の図のテスト結果の注釈: (a) 溶融池の光学画像。ビームエッジの中断により、y = 13 mm 付近で可溶線の破断が観察されました。 (b) メルトライン破壊付近の変位シミュレーション。溶融ラインの終わりと始まりからの放物線散乱と、溶融ラインからの平面反射ギャップが観測されます。 (c) サンプルのy軸に沿ってスキャンしたときに実験的に測定された法線変位。 y = 13 mm 付近で、溶融ラインの平面反射に途切れが生じていることがわかります。 (d) (c)の画像の拡大部分。導火線の端での放物線散乱、導火線の始めでの弱い放物線散乱、および導火線の隙間を示しています。

実験の実施<br /> この技術の可能性をテストするために、LLNL チームは、真空チャンバー内にファイバーレーザーを照射してレーザー溶融線を生成する実験を行いました。また、100、150、350 ワットのレーザー出力を使用して分析用のチタン合金サンプルも生成しました。同時に、パルスレーザーを使用して超音波を生成し、光屈折レーザー干渉計を使用して変位を測定することで、表面弾性波を生成および検出する方法も開発しました。

その後、チームは実験の精度を確認するためにシミュレーション実験を実施しました。彼らはパルスレーザーの変位をシミュレートして測定し、溶融ラインの散乱、溶融ラインの破損、溶融ライン付近の金属飛散、溶融ラインの下の気孔を示しました。チームは同じ特徴を実験的に測定し、シミュレーションと実験が一貫していることを確認しました。

△他のプラットフォームで検出された3Dプリント金属部品。写真提供：Sigma Labs
全光超音波（LBU）は時間とコストの面で有利です<br /> レーザー支援超音波 (LBU) 実験の結果に基づいて、表面特徴の光学顕微鏡検査と X 線 PC トモグラフィーによって表面下の特徴が検証されました。研究者らは、LBU システムは X 線 CT よりも「リアルタイム検査の実行能力が高く、データの取得と処理がより迅速」であると報告している。

「レーザーベースの超音波を使用すると、従来のX線CTに比べて、地表下の空洞の検出にかかる時間が数日から数分に大幅に短縮されます」と、LLNLのエンジニアで主執筆者のキャサリン・ハーク氏は述べた。「この技術が実際のアプリケーションで使用されるまでにはまだ多くの作業が必要ですが、私たちはこの発見に非常に興奮しています。」

研究室の研究者らは、この方法はLPBF印刷に非常に適しているが、現時点では検出可能な空隙のサイズと深さに制限があり、将来的にはさらなる開発が必要であると述べた。

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