積層造形CT特性評価: 3Dからその場ダイナミック4Dイメージングまで

はじめに:過去 10 年間の積層造形 (AM) の発展は、製造分野全体に破壊的な技術革命をもたらしました。しかし、最終的な品質検査に関しては、プロセス開発、プロセス監視、最終部品の品質など、完全なサンプルの非常に詳細な検査を作成し、積層造形部品のライフサイクル全体にわたって品質を監視する方法に依然として課題が残っています。

現在、タイムラプスイメージングマイクロCTは、格子金属、発泡金属、およびその他の構造材料の現場機械分析の研究に一般的に使用されています。現場プロセス全体が不連続であるため、時間軸は不正確になり、機械曲線は不正確になります。積層造形部品の性能と変化をよりよく理解するためには、特にワークピースが加熱や負荷などの特定の外部条件にさらされている場合、初期状態と最終状態からテスト中に何が起こったかを推測するのではなく、従来の手段を打ち破り、全体的な機械的特性をリアルタイムで観察する必要があります。

このとき、ダイナミックマイクロCTと時間分解能が特に重要になります。ダイナミックCTは、X線を使用して3Dデータを収集する技術であり、非破壊検査に非常に役立ちます。技術とその機能が成熟するにつれて、機械試験中の 3 次元構造変化の監視に使用できるようになりました。

TESCANが発売したリアルタイムダイナミックマイクロCTは、現場実験中に高時間分解能で途切れることなく3Dデータを収集できると報告されています。積層造形部品によく見られる複雑で入り組んだ幾何学的形状を確認したり、機械的負荷、高温、大気などの条件下で材料の内部構造の変化を観察したりできます。これにより、研究者は実際の環境における材料の内部挙動をより完全かつ正確に理解できるようになり、優れた性能を備えたより多くの新材料の開発に役立ちます。

△3Dプリントされたプラスチックサンプルの圧縮の動的画像。 1回のスキャンで6秒以内に200枚以上の3D画像を取得可能
実験の背景

現在、最終部品の品質監視に関しては、克服すべき障害がまだいくつか残っています。製造工程で発生する欠陥や寸法精度などの従来の問題に加え、積層造形部品の性能や変化をより深く理解するためには、特にワークピースが加熱や負荷などの特定の外部条件にさらされた場合、その内部構造や性能の変化を従来の方法で把握することが困難です。複雑な構造や隠れた構造の場合、従来の機械試験方法では全体的な機械的特性の一般的な結果しか得られず、それぞれの特性変化は試験後に破壊的にしか評価できません。

インサイチューマイクロCTは、変化する外部条件（負荷や温度など）下でサンプル内部の変化プロセスを3次元検出できますが、従来のアプローチは、タイムラプスイメージングとも呼ばれる、複数の中断された非連続プロセスを画像化することです。より鮮明な画像を得るために、TESCAN ではダイナミック CT 方式を採用しています。これは、サンプルの変化を高い時間分解能で連続的に画像化する最先端の時間分解 3D X 線画像化システムであり、このプロセスは真に連続的です。

実験設計

図 1: (左) UniTOM XL に取り付けられた Deben in-situ ステージ、(右上) 圧縮されていない 3D プリント部品サンプル、(右下) 圧縮された 3D プリント部品サンプル。異なる充填構造でプリントされた 3 つのプラスチック部品に対して、in-situ 3D 変形研究を実施しました。これらのプラスチック部品の内部サポート構造は肉眼では見えません。この研究ではTESCAN UniTOM XLマイクロCTシステムが使用されました。 Deben CT5000RT ロードセルを使用して各サンプルに一定の圧縮を維持しながら、サンプル回転の時間分解能 5.8 秒、ボクセルサイズ 59 μm で 220 枚の断層画像を 22 分間で収集しました。連続回転とデータ取得中に「ケーブルが絡まない」操作を保証するために、この研究では TESCAN in-situ インターフェースキットが使用されました。上の図 1 は、in-situ セットアップ、サンプルの初期状態、および最終状態の画像を示しています。塗りつぶしパターンスタイルでは、後続のレイヤーとパーツの整合性への影響を考慮する必要があり、塗りつぶしパターンスタイルの選択は 3D プリントパーツのパフォーマンスにも大きな影響を与えます。すべてのアプリケーションに適した単一の塗りつぶしパターンはありません。使用するパターンと使用するパターンの数は、部品の最終的な形状とアプリケーション要件、印刷技術、時間、コストによって大きく異なります。この研究では、クロス 3D、キューブ、三角形という 3 つの異なる一般的な塗りつぶしパターンを選択しました。

実験結果

図 2: (上) 測定された力と時間の関係を示す荷重曲線、(下) テスト中のさまざまな時点での各サンプルのサンプル画像図 2 は、3 つの異なる充填パターン (クロス 3D、キューブ、および三角形) の時間に対する荷重曲線と、さまざまな時点での各サンプルの代表的な 3D レンダリングおよび 2D スライス画像を示しています。負荷曲線と画像の両方から、いくつかの有用な情報を得ることができます。負荷曲線を見ると、3 つの全体的な変化は似ていますが、Cross 3D モデルは最初はより大きな負荷に耐えることができ、その後すぐに他の 2 つのサンプルを下回り、その後再び平均レベルに戻ります。 3D 画像を見ると、最初に 1 つのレイヤーが崩壊し、その後圧縮が継続して次のレイヤーに崩壊することがわかります。サンプルの最終状態を観察すると、変形のほとんどは小さな領域で発生し、外層には大きな変形があることがわかります。対照的に、立方体試験片は全体的な幾何学的完全性をほぼ維持し、全体にわたって局所的な座屈変形のみが発生します。当初、サンプルの底部に単層の破損欠陥が見つかりましたが、プロセス全体を検査したところ、サンプルの高さにわたって数層の亀裂が走っていることがわかりました。他のモードと比較して、三角形充填モードでは荷重曲線の変化が大きく異なり、サンプルの初期の「滑り」に沿って明らかなせん断変形が発生することがわかります。

図 3: 圧縮中のさまざまな時点での Cross 3D サンプルの層分離の詳細: a) 3.5 分、b) 5.8 分、c) 6.5 分、d) 8.3 分。サンプル全体の 3D ビューを提供するだけでなく、サンプルの特定のポイントに焦点を当てて、一定の時間枠内での局所的な変化を観察することもできます。たとえば、図 3 に示すように、Cross 3D サンプルのいくつかの変化を詳しく見ると、負荷が増加するにつれてレイヤー間の分離が明確に確認できます。ここでは、5 分以内に欠陥の障害プロセスを明確に確認できます。これらの特定の障害プロセスは、特定のレイヤー間の融合不足を示している可能性があり、初期のビルドパラメータの変更が必要になります。
最後に、このようなサンプルに対してマルチスケールスキャンを実行し、機械試験の前後により高い空間解像度のスキャンを実行して、特定の場所の微細構造をより深く理解することができます。たとえば、三角形で塗りつぶされたサンプルの場合、圧縮前に、比較的低解像度の全体スキャンを通じてサンプル情報を取得し、次に、関心のある部位でより高い空間解像度 (8.5 μm ボクセル) で関心領域スキャン (VOIS) を実行します。視覚化ソフトウェア Panthera™ を使用して低解像度のスキャンを行ったところ、構造物の 1 つの表面に異常があることが判明しました。簡単な操作で異常領域を選択し、半自動で高解像度スキャンを実行します。マルチスケールスキャンイメージングを下の図 4 に示します。高解像度の画像では、個々のビルドレイヤーを確認でき、不規則なビルドテンプレートによって生じた穴をはっきりと確認できます。これらの穴は初期の破損点である可能性があり、動的 CT 結果に見られるようなせん断変形現象を引き起こす可能性があります。

図 4: (左) サンプル全体のプレビュースキャン、(中央) VOIS 関心領域スキャン (赤)、サンプル全体の位置を表示、(右) 印刷された欠陥の詳細 (ボクセルサイズ 8.5 μm)。
要約:

付加製造技術が成熟するにつれて、実現可能な形状はますます複雑になります。さまざまな条件下でのこれらの独自のコンポーネントのパフォーマンスをさらに理解するには、適切なテスト方法と機器を使用する必要があります。 TESCAN マイクロ CT ソリューションの全製品において、ダイナミック CT により、これらの手順中に継続的かつ中断のない 3D データの収集が可能になります。この研究では、TESCAN UniTOM XL デバイスと動的 CT 技術を使用して、圧縮荷重を受けたときの 3D プリント部品の内部構造と隠れた構造の変化を観察しました。この例は、機械的負荷中に 3D プリント部品の全体的なパフォーマンスにどのような内部 (隠れた) 変化が発生するかをよりよく理解するための手段としての動的 CT の価値と可能性を示しています。

3月14日午後2時から4時30分まで、南極熊は華中科技大学の張海欧教授、北京理工大学の張東雲教授、TESCAN micro CT Chinaの製品マネージャーの孟芳麗氏を招待し、3Dプリント研究に携わる友人たちを対象に「金属3Dプリント技術の研究進歩と3Dプリントにおける動的性能試験の応用」に関するオンラインセミナーを開催しました。参加を希望される読者の方は、画像のQRコードをスキャンして登録情報を入力してください。

このセミナーでは、張海欧教授のマイクロ鋳造・鍛造金属3Dプリント技術の研究進捗状況、張東雲教授のSLM製造の格子構造の性能に影響を与える要因に関する研究と進捗状況、マイクロCTの基礎知識、3Dプリントサンプルの結果、in-situダイナミックCTの事例について議論します。このエキサイティングなアプリケーションにご興味がおありでしたら、ぜひこのセミナーにご参加いただき、リアルタイムのダイナミックマイクロ CT が積層造形分野にもたらす無限の可能性を探ってみてください。

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