ウィスコンシン大学は、X線、熱画像、可視光などの技術を統合して、電子ビーム金属3Dプリントの仕組みを研究しています。

電子ビーム粉末床溶融結合 (EB-PBF) 金属 3D 印刷技術では、電子ビームを使用して粉末床を予熱し、選択的に溶かし、3 次元部品を層ごとに構築します。電子ビームのエネルギー変換率が高く、さまざまな材料による電子ビームエネルギーの吸収率も高いため、電子ビームをスキャンすることで粉末床を 1000°C まで予熱することができ、溶融堆積プロセスの熱応力が大幅に軽減されます。

△ルイス・イゼット・エスカーノさんは、チームが開発した装置を使って、3Dプリントで製造された金属部品の構造を研究しています。 IZET ESCANOからの画像
2022年4月19日、アンタークティックベアは、ウィスコンシン大学マディソン校のエンジニアが特殊な高エネルギーX線、熱画像、可視光を組み合わせて新しい3Dプリント技術を研究し、有望な製造方法をより深く理解（および改善）するために高度な金属部品を製造していることを知りました。

3D プリントされた部品の欠陥を防ぐことは重要です。電子ビーム粉末床融合 3D 印刷プロセスについてさらに詳しく知るために、Lian-Yi Chen 助教授が率いるウィスコンシン大学マディソン校の機械エンジニアチームは、シンクロトロン X 線を使用して、印刷中の部品の内部を含む個々の印刷プロセスをリアルタイムで観察できる新しいシステムを開発しました。

「電子ビーム金属3Dプリント技術は現在、非常に急速に発展している」と陳連怡氏は語った。「これは、ジェットエンジン用のチタンアルミナイド部品など、航空宇宙部品の製造に重要な技術です。現時点では、他の 3D プリント技術ではこれらを製造することはできません。」

電子ビーム粉末床溶融結合は、基板上の金属粉末のベースから始まります。電子ビームは粉末の新しい層を溶かして融合し、下から上に向かって部品を構築します。このプロセスは単純に聞こえますが、テクノロジーはまだ初期段階にあり、答えるべき疑問がまだたくさん残っています。たとえば、金属層に隠れた欠陥により、警告なしにいつでも障害が発生する可能性があります。

△ウィスコンシン大学マディソン校の機械工学チームが使用する積層造形装置の一角。 IZET ESCANOからの画像
「表面下で何が起こっているのか、欠陥が形成されるメカニズムが何なのかを観察できるようになったのは今回が初めてだ」とチェン氏は語った。「印刷プロセスに対する理解を深めることで、この技術を継続的に改善し、品質を次のレベルに引き上げることができます。」

チームは2022年1月初旬にアルゴンヌ国立研究所の先進光子源でのテストを無事完了しました。光子源は粒子加速器を使用して、要求の厳しい科学研究で使用するための超高輝度、高エネルギー X 線を生成します。

UW システムは、シンクロトロン X 線イメージングと回折（物質が X 線を散乱する方法を利用して形状を再構築するプロセス）を組み合わせたものです。高エネルギーシンクロトロンX線により、研究者は印刷システムが作動しているときに材料の隠れた内部がどのように機能するかをこれまでにない詳細さで観察することができます。熱画像カメラを使用すると、プロセス中の温度の変化を調べることができ、可視光カメラを使用すると、部品の表面構造の変化を調べることができます。

「この技術は非常に魅力的だ」と、同グループの機械工学大学院生、ルイス・イゼット・エスカーノ氏は語った。「当社のマシンで 1 回実行するだけで、印刷プロセスの複数の重要なポイントを同時に確認できます。」

△2019年のAl-10Si-Mgレーザー粉末床溶融プロセスの高解像度X線画像。レーザー出力は520Wに設定され、スキャン速度は0.6m/sでした。 X 線画像は、有効露光時間 100 ps で 30,173 Hz で記録されました。画像では、溶融池と蒸気圧の形態、凝固速度、溶融流動速度、粒子スパッタリング速度が定量的に測定されました。さまざまな欠陥の発生メカニズムも明らかにされています。 IZET ESCANOからの画像
チームは、電子ビーム粉末床溶融結合プロセスの研究で遭遇したいくつかの重要な技術的課題を克服しました。例えば、プロセスに必要な高真空を維持し、測定中の真空ポンプの振動を軽減し、シンクロトロンX線が効率的に透過できるように特別な観察ポートを製作しました。

この技術は、電子ビーム粉末床溶融結合印刷プロセスを多角的に観察できる世界初の「窓」であるだけでなく、将来的にはより幅広い用途が期待できると主張している。

「システムの開発と統合は、複数のエンジニアリング分野の専門知識を必要とするため、大きな課題でした」とエスカノ氏は語った。「現在、当社のマシンの柔軟性により、非常に迅速に実験を実施し、データを収集することができます。これにより、この 3D 印刷技術に関する基本的な理解と研究が加速されます。」

ウィスコンシン大学は、X線、熱画像、可視光などの技術を統合して、電子ビーム金属3Dプリントの仕組みを研究しています。

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