高速粉末3Dプリントにより成形効率と性能の同時向上を実現、シンガポール国立大学と華中科技大学の共同研究

2022年4月、南極熊はシンガポール国立大学と華中科技大学が協力し、金属分野ジャーナル「Acta Materialia」に「高速粉末拡散は本当にレーザー粉末床融合積層造形の部品品質に不利か」という研究結果を発表したことを知りました。高速粉末拡散3Dプリントは、成形効率と性能の同時向上を実現します。
レーザー粉末床融合法（LPBF）は、現在主流の金属3Dプリント技術の1つであり、複雑で微細な高性能金属部品を直接製造できます。たとえば、印刷された高温合金航空燃料ノズル、チタン合金多孔質骨インプラント、コンフォーマル冷却チャネルを内蔵した金型インサートなどが実用化されています。しかし、従来の製造プロセスと比較すると、LPBF 技術は高エネルギービームレーザー (スポット 50 ～ 100 ミクロン) を使用して微細な金属粉末を点ごと、線ごとに溶かします。成形効率は比較的低く、単一部品および小ロット部品の製造にのみ適しています。そのため、製造効率をいかに効果的に向上させるかが大きな研究課題となっています。

粉末の敷設は LPBF における重要なステップであり、層ごとに循環的に製造するプロセスでは多くの時間がかかります。従来の知識によれば、粉末の拡散速度を上げると成形時間を短縮できますが、粉末床の初期充填密度と均一性が著しく低下し、レーザー溶融効果と印刷部品の性能に影響を与えます。この問題に対処するため、シンガポール国立大学のウェンタオ・ヤン教授率いるチームと、チンソン・ウェイ教授率いるチームが協力し、高速粉末拡散が粉末床の積み重ねの品質と最終的な印刷部品の性能に与える影響を研究しました。適切な条件下では、高速粉末拡散により印刷効率と部品の性能の両方が向上することがわかりました。研究論文「高速粉末拡散は、レーザー粉末床融合積層造形の部品品質に本当に不利か？」は、金属ジャーナル Acta Materialia に掲載されました。チンソン・ウェイ教授とウェンタオ・ヤン教授は共同責任著者であり、ポスドク研究員のチェン・フイと博士課程の学生チェン・タンは共同筆頭著者です。

重要な調査結果と結論は次のように要約されます。
（１）粉末の敷設速度が増加すると、粉末層の最初の１～１０層の充填密度が低下し、溶融堆積層の層厚が減少し、部品の成形に役立たなくなる（図１）。しかし、レーザー溶融中の粉末床の体積収縮により、この収縮効果により次の粉末層の実際の厚さが徐々に増加し、対応する粉末床の充填密度が増加し、それによって次の堆積層の高さが補償されます（つまり、補償効果）。収縮と補正の複合効果により、粉末の拡散速度が増加しても、約 10 層後に印刷プロセスは安定し、同様の溶融条件と品質に達します (図 2)。したがって、高速粉末積層は、最初の数層では部品の成形には役立ちませんが、その後の層ごとの印刷では、収縮と補正効果により、部品をスムーズに成形することができます。この法則はステンレス鋼、ダイス鋼、ニッケル基合金などの金属粉末の成形において検証されており、普遍的な意義を持っています。

図1 高速粉末敷設初期層処理：（a）粉末ベッドの積み重ね形態、（b）粉末ベッドの溶融形態。

図2 高速粉末積層多層加工：（a）多層ステップ成形、（b）実際の粉末積層厚さは層数によって変化する、（c）実際の粉末床溶融厚さは層数によって変化する。

（２）高速粉末積層により、印刷層間の冷却時間が短縮され、下層印刷層の初期温度が上昇する。これにより、潜在的な未溶融気孔がある程度減少し、部品内の温度勾配が減少し、残留応力が減少し、最終的に部品の疲労性能が向上する。

図3 高速粉末拡散と成形性能の関係：（a）粒子構造、（b）相含有量、（c）引張強度、（d）疲労性能。

この研究は、「高速粉末敷設は部品の成形に役立たない」という長年の経験的認知的限界を打ち破ります。この研究は、実際のエンジニアリングアプリケーションにおける LPBF 製造効率の向上のための科学的根拠と実現可能な技術的参考資料を提供することが期待されています。
この研究は、華中科技大学とシンガポール国立大学の共同研究で行われ、シンガポール国立科学財団（MOE-T2EP50120-0012）、中国国家自然科学財団（51775207、51705170）、華中科技大学の学術フロンティア若手チームのための国家重点研究開発プログラム（2017YFB1103900）の資金提供を受けて実施されました。

全文リンク: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117901

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