広東科学院のビ・グイジュン研究員らが共同で「セラミックスの直接レーザー積層造形に関する研究の進展レビュー」を発表

著者: Zhao Dake、Bi Guijun、Chen Jie、WaiMeng Quach、Feng Ran、Antti Salminen、Niu Fangyong

金型や接着剤を必要としない直接レーザー積層造形は、従来の製造プロセスの限界を打ち破るだけでなく、高性能セラミック部品をワンステップで製造する新しい方法を提供することが期待されています。この記事では、このタイプの技術の最新の進歩、問題、改善戦略を深く分析し、現在の業界におけるその応用の見通しを展望します。技術が発展するにつれ、セラミックスの直接レーザー積層造形は、より多くの分野でその並外れた創造性と応用価値を発揮するでしょう。

記事のハイライト

セラミックスのワンステップ直接レーザー積層造形法のプロセス原理と材料システムを紹介します。
直接レーザー積層造形セラミックスの成形品質、微細構造、機械的特性、および改善戦略についてレビューします。
高性能セラミックスにおける直接レーザー積層造形の今後の開発動向と潜在的な用途について展望します。

最近、広東科学院知能製造研究所、大連理工大学、マカオ大学、ハルビン理工大学、フィンランドのトゥルク大学が共同で「レーザー直接積層造形セラミックスの批判的レビュー」と題するレビュー記事をInt. J. Miner. Metall. Mater.に発表しました。このレビュー記事では、過去10年間のレーザー直接積層造形セラミックスに関するいくつかの重要な研究成果を体系的にまとめ、この分野における現在の課題、将来の研究機会、および潜在的な応用についてまとめ、展望しています。畢貴軍研究員が率いる「先進レーザー付加製造技術革新チーム」が所在する広東科学院知能製造研究所が、本論文の研究の主な完成単位である。

極めて過酷な環境下でも、高性能セラミック部品は耐高温性、耐腐食性、耐浸食性、耐摩耗性などの優れた特性を備えているため、あらゆる分野で好まれています。高温材料や合金材料をセラミックスに置き換えることで、理論的には主要なコア部品の重量を軽減でき、航空機の柔軟性と操縦性が向上することが期待されます。さらに、セラミックスの優れた耐熱性により、内燃機関やターボ機械の燃焼効率が向上し、炭素排出量を削減することもできます。セラミックは、腐食性環境や高放射線量が蔓延する原子力産業などのエネルギー分野における問題への対処にも優れています。これらの高価値セラミック部品には、排気ノズル、燃焼器ライナー、タービンブレード、ベーン、溶融塩反応器、触媒コンバーター、電気自動車ベアリングなどが含まれます。したがって、セラミック部品を適切に使用することで、ハイエンド機器の効率、性能、耐用年数を向上させるという待望の目標を達成できる可能性が高まります。世界中で低排出量の重要性が高まっていることを考えると、これは特に重要です。

しかし、従来の製造プロセス（成形や焼結など）を使用してセラミック部品を製造し、所望の形状と表面仕上げを実現するには、材料の準備、加工、焼結、熱処理、仕上げなどの複数のステップが必要となり、プロセスサイクルが長くなります。近年、積層造形（AM）は、その柔軟な成形方法により、高性能セラミックスの製造に魅力的なソリューションを提供しています。直接レーザー積層造形 (DLAM) は、複雑なニアネットシェイプのセラミック部品を 1 つのステップで形成する可能性を提供します。粉末供給モードに応じて、選択的レーザー焼結/溶融 (SLS/SLM) とレーザー指向性エネルギー堆積 (LDED) の 2 つの主なバリエーションが一般的にあります。この技術には、(i) ニアネットシェイプのセラミック部品をワンステップで金型なしで製造できること、(ii) 構造と材料の柔軟な設計、(iii) 小ロット、高精度の生産能力、(iv) 迅速な対応と短いサイクルの製造要件に簡単に対応できることなど、多くの利点があります。過去20年間、DLAMプロセスを使用した「セラミックス」に関する研究は世界的な注目を集めており、図1に示すように、発表論文数も増加し続けています。

品質と性能は、セラミック部品がさまざまな厳しい条件に耐えるための前提条件であり、ドメインごとおよび層ごとの形成特性の両方において、DLAM プロセスの複数のパラメータによって影響を受けることがよくあります。これらのパラメータには、レーザー出力、スキャン速度、粉末ベッド密度、粉末供給速度、スキャンパターン、オーバーラップ率、処理環境が含まれます。セラミック部品の品質には、欠陥、残留応力、介在物、形状精度、表面粗さなどが含まれます。処理パラメータは、連続的に形成される部品の最小単位（部分的に溶融したマイクロ流体または完全に溶融した溶融プール）の形状とサイズに大きな影響を与えます。 DLAM プロセスの熱および品質履歴は非常に複雑であり、高品質の部品を得るための主な要因となる多数のパラメータの影響を受けます。一方では、熱履歴を調整することで、微細構造を均質化および改良し、材料の性能を確保することができます。一方、溶融池への粉末供給や溶融池内のマイクロ流体工学など、材料の効率的な拡散と対流輸送（質量輸送）は、欠陥の少ない高精度部品の製造に不可欠です。しかし、複数の処理パラメータと極めて高い温度により、高性能セラミック部品の熱履歴と品質履歴を制御することが大きな課題となります。

この目的のために、本論文では、プロセスの原理を簡単に概説した後、セラミック成形の品質、微細構造、機械的特性の進歩についてレビューし、さらなる学術研究と潜在的な産業発展に積極的に貢献します。さらに、高品質セラミックスの迅速な製造における DLAM 技術の将来の機会と潜在的な応用も想定されています。

図 1 セラミックスのレーザー積層造形に関する研究動向図 2 直接レーザー積層造形プロセス原理の概略図: (a) 選択的レーザー焼結/溶融 (SLS/SLM)、(b) レーザー指向性エネルギー堆積 (LDED)
図 3 SLS/SLM プロセスを使用して製造された一般的なセラミック部品: (a) Al2O3 セラミックス[24]、(b、c) SiC セラミックス[54]、(d) Al2O3/ZrO2 セラミックス[33]、(e) Al2O3/GdAlO3/ZrO2 共晶セラミックス[57] 図 4 LDED プロセスを使用して製造された一般的なセラミック部品: (a) Al2O3 セラミックス[37]、(b) Al2O3/ZrO2 共晶セラミックス[42]、(c) Al2O3/ZrO2 セラミックス[53]、(d) Al2O3/Al2TiO5 セラミックス[56]、(e、f) Al2O3/GdAlO3/ZrO2 共晶セラミックス[49] 図 5 LDED機械加工されたセラミックスの亀裂特性：（a）Al2O3/ZrO2セラミックス[53]、（b）異なる亀裂分岐を有するAl2O3/GdAlO3/ZrO2共晶セラミックス[49]、および（c）異なる場所のムライト[53]
図 6 DLAM 処理したセラミックスの気孔特性: (a) 接着不良 [59]、(b) 融合不足 [45]、(c) 気孔 [45]、(d, e) マイクロコンピュータ断層撮影で得られた空隙特性 ((d) 固体質量分布と (e) 対応する気孔率分布) [69] 図 7 DLAM 処理したセラミックスの欠陥抑制方法: (a) 予熱 [80]、(b) 超音波補助 [45]
図8 DLAMプロセスで製造されたAl2O3/ZrO2共晶セラミックスの微細構造特性：（a）コロニー構造の典型的な微細構造[42]、（b）より微細な共晶間隔の微細構造[45]、および（c、d）周期的なバンド構造の微細構造[88]
図9 DLAMプロセスを使用して製造されたZrO2、SiC、およびムライトの微細構造の特徴：（a、b）直接SLSed ZrO2（（a）ビルド方向に沿って、（b）単一列の粒子の特徴）[26]、（c、d）直接SLSed SiC（（c）中エネルギー密度レベルおよび（d）焼結粒子）[27]、および（e、f）LDEDedムライト（（e）シリンダーの中央および（f）シリンダーエッジ）[61]
図 10 DLAM セラミックスの展望と用途画像紹介: 粉末ベースの DLAM プロセスは、航空宇宙やエネルギーなどの業界で大きな反響を呼んでいます。その魅力は、高密度で複雑な形状のセラミック部品を 1 回のステップで作成できる可能性にあります。しかし、セラミックのDLAM技術は、金属やポリマーに比べて開発が遅れています。 DLAM セラミックスの製造には、成形品質、欠陥、微細構造、機械的特性の綿密な制御など、膨大な科学的および技術的課題が伴います。主な障害は、特に幾何学的および機械的特性の点で、その固有の脆さと低い熱衝撃耐性であり、また極端な温度勾配と繰り返される熱サイクルにも耐える必要があることです。上記の課題を解決するために、考えられる将来の開発動向は次のとおりです。

データと高忠実度/高効率の数値シミュレーションによるプロセス最適化。

新しい亀裂発生/伝播理論と抑制戦略。

気孔形成と制御に関する新しい理論と方法。

微細構造と特性を制御するための新しい方法。

DLAMに適した特殊セラミック粉末の開発

将来の可能性のあるアプリケーション。機械製造における精密切削工具、自動車のシーリングリングやブレーキ、歯科における人工股関節、スマートファクトリーにおける精密ギア、その後の処理を必要とするセラミック温度センサーなど、特定の小型バルク部品に適用されます。さらに、高品質のセラミックコーティングの製造も興味深い応用分野です。例えば、超高速 DLAM を使用してセラミックコーティングを作製すると、亀裂が減少し、基材表面の耐摩耗性と耐腐食性が大幅に向上すると期待されます。

チームと著者について<br /> 広東科学院インテリジェント製造研究所の「先進レーザー付加製造技術革新チーム」は、レーザー加工と付加製造の科学的課題と産業ニーズに焦点を当て、応用技術研究を実施し、主要な技術応用に関する基礎研究を考慮しています。チームの主な研究方向は、レーザー加工と積層造形、積層造形/減算造形向けデジタル技術、インテリジェントモデリングとシミュレーション、プロセスの監視と制御、積層造形/減算造形プロセスと材料、超高速レーザークラッディングの主要プロセスとシステム開発などです。

過去5年間、チームは5つの国家プロジェクト、5つの省および省レベルのプロジェクト、多数の市町村プロジェクトおよび企業協力プロジェクトを含む一連の科学研究任務を引き受け、総資金は4,000万人民元を超え、30件以上のSCI索引論文を発表し、20件以上の認可特許を取得しました。チームには現在、博士号取得者 6 名を含む 9 名の研究者がいます。チームは、シンガポール、ドイツ、フィンランドなどの国々や、香港やマカオの大学や研究機関と広範囲にわたる共同研究を行ってきました。

畢貴軍氏は、国内および北京の著名な専門家です。現在は広東科学院のレーザー製造技術の主任科学者であり、レーザー加工と積層造形に関する研究経験が 20 年以上あります。過去 5 年間で、彼は 6 つの国家、省、市の科学研究プロジェクトを主導してきました。シンガポール科学技術庁のレーザー加工技術の学術リーダーとして、彼はシンガポールの「大型で複雑な部品のレーザー積層造形」プログラムや「複雑な海洋工学構造物のための高度なレーザー支援積層造形とレーザーアーク複合溶接技術」など、数多くの国家科学研究プロジェクトや主要な産業プロジェクトを統括しました。彼の業績のうち 3 つはシンガポール航空功績賞を受賞しました。彼は国際学術誌に 130 本以上の SCI 論文を発表しており、それらの論文は 5,100 回以上引用され、H 指数は 41 です (Web of Science)。国際特許、シンガポール特許、中国特許が10件以上取得されています。 2022年からは米国スタンフォード大学が発表する世界トップ科学者リストの上位2％に3年連続で選出され、2024年には「生涯科学的影響力ランキング」にも選出された。

趙大克氏は、広東科学院インテリジェント製造研究所の研究員であり、広東科学院認証株式会社の専門家データベースの専門家です。大連理工大学機械工学部卒業、「高性能精密製造イノベーションチーム」で関連業務を修了。現在は主に高品質セラミックス、軽量合金、高温合金、高性能レーザー積層造形、超高速レーザークラッディングの研究に従事。広東省基礎・応用基礎研究プロジェクト1件、広州市基礎・応用基礎研究プロジェクト1件、広東科学院ハイレベル人材プロジェクト1件、国内企業技術サービスプロジェクト1件（51万元）を主宰。多数の国家重点人材エンジニアリングプロジェクト、国家自然科学基金プロジェクト（大規模・青年基金）および多数の企業技術サービスプロジェクトに参加。近年、Journal of Advanced Ceramics、Additive Manufacturing、International Journal of Extreme Manufacturing、International Journal of Minerals、Metallurgy and Materialsなどのジャーナルに17件以上の論文を発表し、SCIに15回以上掲載され、6件の発明特許を申請しています。

この記事を引用: Dake Zhao、Guijun Bi、Jie Chen、WaiMeng Quach、Ran Feng、Antti Salminen、Fangyong Niu、「直接レーザー積層造形セラミックスの批評的レビュー」、Int. J. Miner. Metall. Mater.、31(2024)。第12号、pp. 2607-2626

https://doi.org/10.1007/s12613-024-2960-2