積層造形用水アトマイズおよびガスアトマイズ低合金鋼粉末の比較研究

出典: 江蘇レーザー連盟

本論文では、積層造形における粉末の挙動と特性に焦点を当て、水アトマイズ法とガスアトマイズ法の低合金鋼粉末のレーザー加工の違いを調査します。材料の充填密度を測定し、粉末充填とトラック形成の関係を確立しました。結果によると、水アトマイズ粉末の軌道の高さはガスアトマイズ粉末の軌道の高さより 15% 低いことがわかりました。高速イメージングを使用して、レーザー照射下での材料の挙動を観察し、粉末粒子の動きを分析します。結果は、水噴霧粉末は機械的に絡み合う傾向があり、その結果、粒子の巻き込みが少なくなることを示しました。粉末の飛散と溶融プールの不安定性の発生について研究した。飛沫がより頻繁に発生するのは、水噴霧粉末に含まれる酸素の量が多いためだと考えられます。

グラフィック概要この論文では、レーザー粉末床溶融結合法 (LPBF) のプロセス速度論と粉末挙動に焦点を当て、水アトマイズ法 (WA) と積層造形法 (AM) のガスアトマイズ法 (GA) の粉末を比較します。 AM は、従来の製造方法に比べて多くの利点があるため、最近広く注目を集めています。これらには、設計の自由度、材料重量の削減、リードタイムの短縮、非常に複雑な形状の高密度部品を製造する能力などが含まれます。 LPBF は現在、主要な AM プロセスの 1 つであり、粉末を原料として使用して層ごとに部品を製造します。ただし、このテクノロジーにはいくつかの利点がある一方で、いくつかの制限もあります。プロセスの主な制限の 1 つは製造コストです。

SLM プロセスにおける材料の固化は、従来の鋳造プロセスにおける材料の固化とは異なります。従来の鋳造プロセスでは、溶融凝固のメカニズムは主に急激な温度変化、重力の影響、および溶融対流に依存し、圧力を加える必要はありません。上の図は、レーザービームが通過し、ビルドアッププロセス中に堆積された粉末粒子に当たったときに、一般的な SLM プロセス中に発生する熱機械反応を示しています。

金属の LPBF は、粉末冶金 (PM) とレーザークラッディングの分野から生まれました。これらの分野では、粉末を使用して高密度、耐摩耗性、精密性に優れた部品が製造されます。これらのテクノロジーに関する既存の知識は基盤を構築しますが、AM のすべての側面をカバーしているわけではありません。 LPBF には、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金など、多くの種類の粉末が適しています。ただし、これらの材料構成はもともと鋳造と機械加工用に開発されたもので、関与する物理的メカニズムが若干異なります。ガスアトマイズ粉末とプラズマアトマイズ粉末 (PA) は、化学的に純粋で、形状がほぼ球形であるため、レーザー処理用の粉末ベッド上に分散させるのが容易です。

対流により、さまざまな領域の液体金属が混合され、図に示すように溶融池内の熱伝達が向上します。循環モードは、合金液体内の温度分布、加熱および冷却速度、凝固モード、および合金の構造と特性に重要な影響を及ぼします。

ガスアトマイズプロセスはスループットが比較的高く、幅広い粒度分布を持つ粉末を製造できます。 LPBF の目標 PSD は通常、PM の生産バッチから粉末をふるい分けることによって達成されます。その結果、AM 要件を満たす原材料の供給が制限されます。プラズマ噴霧法は主に高純度活性粉末材料の製造に使用されます。

この論文では、溶融池の形成、粒子の挙動と浸食、スパッタの発生、材料特性などについて多くの研究が行われています。酸素含有量の低さ、優れた流動性、および高い見かけ密度がこれらの材料への関心を説明しています。これらの特性がプロセスの効率を決定するからです。プロセス効率は粉末供給メカニズムによっても左右されますが、これは主に LPBF システムの特性によって決まり、機械サプライヤーごとに異なります。

スプレープロファイル（特に角度と速度）が飛沫分布にとって重要である理由は、最初のスプレー時の慣性が最終的な堆積位置に影響を与える可能性があるためです。上の画像は、粒子の軌跡が空気の流れからどのように伸びるかを示しています。たとえば、同じ質量とサイズの粒子の場合、高速かつ大きな角度で放出された粒子は高い運動エネルギーを持ち、ガスの流れがない場合にはより高い軌道になります。

代替として、水アトマイズ粉末は粒子の形態が不規則で、酸素濃度がわずかに高くなります。これは、噴霧プロセス中の冷却および凝固速度が速いことと、金属流を粉末に分解するために水が使用されることに起因します。ただし、結果として得られる形態は、噴霧プロセスを調整したり、製造ルートを変更したり、プロセスチェーンに後処理手順を追加したりすることで変更できます。

Boisvertらは、噴霧前の溶融物をマグネシウム処理することでWA粉末の形状を改善する研究を行った。この技術により、より球状の粒子の形成を促進する条件が作り出されます。形状の改善は、溶融物の表面張力を高めるマグネシウムの存在によるものです。 Schade らは、AM 専用の WA 粉末を製造するプロセスについて説明しました。このプロセスでは、高圧水アトマイゼーション (HPWA) を使用して微細な WA 粉末を生成し、得られた粉末から不規則な粒子を除去します。上記の方法は WA 粉末の形状を変更する可能性を示していますが、より球形の粉末を実現するには製造コストが増加します。

異なる噴霧技術を使用すると、材料の特性が変化することがよくあります。 Li らの研究によると、GA 粉末を使用したサンプルは WA 粉末に比べて多孔性が低かった。酸素含有量が低いため、材料の充填密度が高くなり、GA 粉末構造が緻密になります。粉末充填密度は LPBF の重要な特性であり、一定の体積内での粉末粒子の配置とそれらの間の空隙が最小限であることを表します。粒度分布 (PSD)、流動性、形態、表面化学、粒子間力などのいくつかの要因が充填剤の挙動を決定します。

一般的に、PSD が広い粉末は、材料内の細かい粒子が隣接する大きな粒子間の隙間を埋めることができるため、より高い充填密度値を示します。 AM の原料のほとんどは、粉末床上で粒子が均一かつ容易に広がるように、PSD が狭く、形状がほぼ球形になっています。したがって、LPBF の平均パッキング密度は 60% を超えません。

GA 粉末と WA 粉末について、レーザー照射下での挙動を調査する研究がいくつか行われています。 Irinki らは、LPBF における 17-4PH ステンレス鋼 WA および GA 粉末の応用研究を報告しました。結果は、GA 材料の処理と比較して、WA 粉末の緻密化にはわずかに高いレーザー出力が必要であることを示しています。アルミニウム粉末の機械的特性が低いのは、酸素と硫黄の含有量が多いことに関係しており、これによって溶融池の表面張力とマランゴニ流も変化します。 Durejko らは、レーザーエンジニアリングネットシェーピング (LENS) 技術を使用して製造された WA および GA 鉄粉を研究しました。この研究では、WA 粉末を使用してサンプルを調製することが可能であることが示されました。著者らは、研究で参照材料として使用された GA 粉末は、WA 粉末と同程度の量の気孔を示したと報告しています。

現在の文献レビューによると、LPBF では AM の要件を満たす特性があるため、GA 粉末が一般的に原料として使用されています。この材料は製造コストが高く、生産量も限られています。一方、WA 粉末はコスト効率に優れており、広く使用されている GA 粉末を部分的に置き換えることができます。文献ではコストの違いについてのみ言及されています。しかし、不規則な形状、ビルドプラットフォーム上の粉末分布、最終コンポーネントの表面品質の低下などの特定の欠点により、AM での材料の適用が妨げられます。 WA 粉末の形状を改良し、LPBF での挙動を研究することで、この材料は AM で独自の位置を確立できる可能性があります。しかし、その挙動についてより多くの知識を得て、この材料の応用可能性を最大限に引き出すためには、さらなる研究が必要です。

現在、GA 粉末は主に粉末冶金などの用途に使用されており、微粉末のごく一部のみが AM (LPBF) 用に選別されています。粉末はさまざまな目的で同時に製造されるため、コスト計算には多くの不確実性が含まれます。本質的な違いは、ガスアトマイゼーションでは高価なガスとして窒素やアルゴンが必要になるのに対し、水アトマイゼーションでは水を使用して溶融物を液滴に分解することです。現在、これが WA 粉末が GA 粉末よりもコスト効率が高い可能性があることを示す主な指標です。プラズマ噴霧法のみで AM 用の粉末を製造することも別の技術ですが、より高価で効率も低くなります。

上の図は、単一の粉末層の充填密度 a を決定するために使用されます。最後の層が作られると、その端だけが溶けます。標本に残っている粉末はすべて慎重に抽出され、事前に計量されたビニール袋に密封されました。次に、粉末が入ったビニール袋の重量を測定し、粉末の正味重量を計算しました。充填密度は、粉末の体積（重量を材料の密度で割ったもの）を抽出された粉末の体積で割ることによって計算されます。

この論文では、粉末粒子のダイナミクスとレーザー照射下での粉末の挙動に焦点を当て、水アトマイズ法とガスアトマイズ法による低合金 AISI 4130 鋼粉末のプロセス物理学の違いを調査します。材料の組成と特性は AM にとってまったく新しいものです。この粉末は優れた機械的特性と耐腐食性を備えながら、製造コストが比較的低いため、AM での使用に適しています。この論文では、高速イメージング (HSI) 技術を使用して粒子のダイナミクスを観察します。実験は、同じ粒子サイズ範囲の WA 粉末と GA 粉末を使用して実施されました。粉体の化学的性質と形態が加工挙動に及ぼす影響を研究した。

2. 材料と方法
2.1. 原材料の特性 実験調査は、Höganäs AB が提供した粒子サイズ 20 ～ 53 μm の AISI 4130 低合金鋼のガスおよび水アトマイズ粉末を使用して実施されました。形態の違いに加えて、霧化プロセスによって化学組成も変化します。粉末の化学組成は誘導結合プラズマ質量分析法（ICP-MS）によって分析されました。不活性ガス溶融法による酸素と窒素の測定。硫黄と炭素の含有量は燃焼分析によって測定されました。結果を表1に示す。

表1 GAおよびWA低合金鋼粉末の化学組成（重量％）
各粉末の粒度分布は、Sympatec Helos レーザー回折によって評価されました。粒子の形態は、FEI Magellan 400 超高解像度走査型電子顕微鏡を使用して決定されました。ホールフローメーターファンネル法 (ISO 4490) は、粉末の流動性と見かけ密度を測定するために使用されます。相対密度は次のように計算されます。

ρ見かけ密度は材料の見かけ密度（つまり、粉末の質量をその体積で割った値、g/cm3）であり、ρ理論密度は材料の理論密度（つまり、バルク材料の密度、g/cm3）です。得られた値を表2に示す。

表2 GAおよびWA AISI 4130低合金鋼粉末の加工特性。
2.2. シングルトラックレーザー加工

粉末は 270 × 250 × 2 のプラットフォーム上に事前に置かれました。LPBF 実験セットアップでは、7° に傾斜した連続波 IPG Yb ファイバーレーザーを使用して、mm のステンレス鋼基板の単一トラックが製造されました。レーザー波長は1070 nmで、焦点におけるレーザービームのスポットサイズは75 μmです。光学系は、焦点距離 250 mm のコリメータと焦点距離 150 mm の集束レンズで構成されています。

以下のパラメータが設定され、実験全体を通じて変更されませんでした：レーザー出力 250 W、スキャン速度 3 m/分、粉末層の厚さ 100 μm (h、μm)、およびトラック間の充填間隔 1 mm。事前にさまざまな速度とパワーの組み合わせをテストし、ボール化や酸化などがなく両方の材料に適した組み合わせを選択しました。層流を維持するために、シールドガスとしてアルゴンを約 18 °C で 1/分で使用しました。酸化を防ぐために、処理エリアの上部に空気パイプ（直径20 mm）を局所的に設置しました。準備段階でこの装置をテストし、空気の流れによって粉末層が乱されないことを確認しました。ガス速度値が高いと乱流が発生し、ガス速度値が低いとスパッタが処理領域から完全に除去されないため、レーザーの減衰が促進される可能性があります。

溶融池から噴出または空気流によって吹き飛ばされたスパッタは、粉末床の後ろにあるステンレス鋼板（150×250×2mm）上に集められました。あるいは、保護ガスを充填した密閉チャンバー内で実験を行うこともできます。上記の設定は、HSI を使用して現象を観察および研究するのに適しています。局所的な気流が存在すると、飛沫を集めてさらに評価する実験も容易になります。ビルドプラットフォーム上に粉末を広げると、粉末の流れに若干の違いが見られました。 WA 粉末は、粒子を丸くして流動性を向上させるために実験前に形状処理されましたが、GA 粉末と同等のレベルの材料分布を達成するには、より多くの努力が必要でした。

水分含有量は、粉末床上の粉末の広がりとその後の処理に影響を与えることが知られています。輸送や保管条件により粉末の水分含有量が原材料に影響を及ぼさないことを確認するために、レーザー加工前に流動性（水分含有量の優れた指標）を測定し、粉末の質量がサプライヤーから提供された粉末品質証明書に記載されている値と同等であることを確認しました。

この研究の目的は、異なる形態の粉末材料間の粉末運動挙動の違いと、それがレーザー加工にどのように関連するかを調査することです。プロセスパラメータ（スキャン速度、レーザー変調など）と条件（ガス供給、粉末拡散など）は、機械サプライヤーによって異なる場合があります。

一般的に、市販の LPBF システムのスキャン速度は、この研究で適用されたものよりも高く、プロセスはアルゴンガスで満たされたチャンバー内で実行されます。ここではオープンリニア軸レーザーシステムが使用されました。このシステムは、速度制限が低いにもかかわらず、高速イメージングやスプラッシュ収集など、より柔軟な実験が可能です。ただし、この比較研究の目的は、同じグレードの GA 粉末と WA 粉末の粉末挙動の違いを理解することであったため、調査された側面は依然として代表的なものです。

2.3. 高速画像解析 この研究では、WA 粉末と GA 粉末の粒子挙動の違いを検出および識別するために、Photron FASTCAM Mini UX100 高速イメージングカメラが使用されました。 CAVITAR は、高品質のビデオを録画するための 2 つの照明レーザー、CAVILUXCW (ファイバー結合出力、50 W 連続波電力、810 nm 波長) を提供しています。プロセス光を除去するために、カメラレンズに狭いバンドパスフィルターが適用されます。ビデオは、リモート顕微鏡（INFINITY モデル K2、CF-2 対物レンズ、3.5 倍の倍率）を使用して、さまざまなフレームレートで録画されました。図 1 は、カメラを治療領域に対して垂直に 24° 傾けた実験セットアップを示しています。

図 1 実験セットアップ。取り扱いエリアと飛沫収集エリアを示しています。アルゴン管はレーザービームと同じ方向の粉末床の上に配置されています。カメラは治療部位に対して垂直に24°傾けられました。
2.4. 軌道高度と軌道面積の決定 各粉末タイプごとに 60 個のシングルトラックサンプルが製造されました。形成されたビーズの高さと面積を測定した。トラックの長さの変化を識別するために、サンプルはトラックに沿ったいくつかの場所（始点、中間、終点）で切り取られました。トラックの高さ（H、μm）は、光学実体顕微鏡Nikon SMZ1270を使用して測定されました。トラック断面の面積はImageJプログラムを使用して決定されました。両方の粉末で得られた値を平均して評価し、トラックサイズの違いを調査しました。

3. 結果と考察
3.1. LPBFプロセスにおける粉末形態が原料特性に与える影響 粉末の形態は AM 原材料の特性に直接影響します。したがって、LPBF プロセスにおける粉末形状の役割を正しく理解することが非常に重要です。この研究で使用した粉末は、GA粉末のほぼ球形からWA粉末の巻き毛の形まで、形態が異なっていました（図2a、b）。 WA 鋼粉末は、その後の加工にとって非常に重要な特性であるため、出荷前にサプライヤーによって機械的に処理され、流動性と見かけの密度が向上します。図 2b は、形状修正処理により WA 粉末の微粒子の数がわずかに増加していることを示しています。

図2 GA（a）およびWA（b）低合金鋼粉末の形態。
表 2 は、両方の材料の技術的特性を示しています。相対密度は、粉末の嵩密度を特徴付けるために使用されます。一般に、非球形粒子を使用すると、任意の粉末システムの充填効率は低下します。この結論は本研究で得られた結果で確認され、GA 粉末と WA 粉末の相対密度には 18% の差 (それぞれ 53% と 44%) が生じました。理論的には、材料内に微粒子が存在すると、大きな粒子間の隙間が満たされ、充填密度が増加するはずです。しかし、初期の粒度分布では GA と比較して小さな粒子が多かったにもかかわらず、WA で得られた嵩密度の結果には大きな改善は見られませんでした。 WA粉末の平均粒子サイズD50は、GA粉末（D50 = 42.5 μm）と比較してわずかに低い（D50 = 37.5 μm）ことがわかります（図3a、b）。

図3 GAおよびWA低合金鋼粉末の密度q3（a）と累積q3（b）粒度分布。
さらに、WA粉末（D10 = 19 μm）はGA粉末（D10 = 26.5 μm）と比較して微粒子の数が多かった。 D10 は、10% の累積小粒度分布に対応する粒子サイズを表します。これは、WA 粉末の粒子間摩擦が増加し、微粒子が隣接する粒子間の隙間に到達できなくなることに起因します。粉末粒子は近くの材料表面と相互作用し、機械的な接触を形成します。

WA 粉末の製造目標は、GA 粉末にできるだけ近づけることです。化学、粒子サイズ分布、形態には依然としていくつかの違いが存在します。 LPBF プロセスは複雑なため、これらの違いがプロセスに影響を及ぼし、関連性があるかどうかは明らかではありません。そのため、この研究が実施されました。粉末を比較する場合、プロセス動作の違いが予想され、それが最終ビルドの特性と相関します。これらの違いには、処理効率、粉末の取り込み、粉末床の劣化などがあり、粉末床に落ちる飛沫や粉末の回収を通じて、さらなる処理に影響を及ぼします。

3.2. レーザー加工中の粉末の動き

図4は溶融池周辺におけるGA（a）粉末とWA（b）粉末の移動挙動を示しています。矢印は粉末の流動領域を示しており、GA 粉末の流動性が優れていることを示しています (図 4a)。破線（図4a、b）は、溶融プール領域、レーザービームの位置、およびレーザー照射によって影響を受ける粉末ベッド上の領域を示しています。

図4 GA（a）およびWA（b）粉末の粉末移動挙動。図(a)と(b)の矢印は粉末の移動方向を示しており、GA粉末粒子の移動が大きいことが分かります。粉末の相互作用と動きの違いを示す概略図。(a) GA 丸型粒子の自由な流れと (b) WA 粉末の機械的な連結が強調されています。露光時間は20μsです。
さまざまな形態の粉末をレーザー加工する場合、加工条件は非常に重要です。粉末の形態は、レーザービームとの相互作用を通じて間接的に溶融池の前面を形成します。粉末の表面積の大きさによって、レーザービームとの相互作用面積が決まります。溶融プールへの粒子の軌道に応じて、高温領域の開始と溶融プールの後方へのさらなる分布に関するさまざまな条件が作成されます。図5は、GA（a）〜（d）およびWA（e）〜（h）粉末を使用した場合のプロセスダイナミクスを強調した一連のフレームを示しています。

図5 GA（a）-（d）およびWA（e）-（h）粉末を使用した場合の溶融プールと粉末ベッドの相互作用。スナップショット内の矢印は粉末粒子の軌跡を示しています。黄色で強調表示された粒子は、粉末床から分離された蒸気に巻き込まれた粒子です。赤でマークされた噴出物は、溶融プールからの反動によって飛び散ったものです。白い破線は溶融池領域を示しています。 80 × 80 ピクセルの領域で溶融プールの前面領域を強調表示し、粉末の動きと分離を観察します。両方の素材のビデオは 16,000 フレーム/秒で録画されました。
レーザービームが粉末床を通過すると、レーザービームの前と周囲に粒子が運ばれます。さらに、レーザー経路の後ろの両側にある粒子も、溶融プールの蒸発によって生成される蒸気圧勾配により、レーザーと粉末の相互作用点に引き寄せられます。これは、アルゴンの流れが粉末床に付着した粒子にほとんど影響を与えないことを意味します。溶融池の温度が気化温度を超えると気化が始まり、溶融物の噴射によって材料を除去できるようになります。これにより、反動による飛沫が発生します（図5a、b、e、f、g、h）。

溶融プールからの金属蒸気はガスの内向きの流れを引き起こし、スキャン方向に対して粒子を上方および後方に引っ張ります。したがって、ファンデルワールス力によって最初に基板表面に付着した粉末粒子は簡単に分離され、溶融プールに向かって引きずられます (図 5、黄色で強調表示された粒子)。

この粒子の動きは、誘導された気流によって引き起こされる蒸気駆動粒子の巻き込みとして知られており、その結果、トラックの周囲に枯渇領域が形成され、Matthews らによって説明された侵食現象が発生します。 GA 粉末を加工する場合、溶融池付近の粒子は自由に移動し、溶融材料と衝突してその中に浸る傾向があります。これは、GA 粉末の丸い形状と良好な流動性によるもので、重力が粒子を所定の位置に保持するほど強くないからです (図 4a)。粉末の一部は空気の流れに巻き込まれ、溶融池から吹き飛ばされてスパッタになります。

WA 粉末は、その不規則な形状、よく発達した表面、および異なる性能により、隣接する粒子と機械的に接触し、凝集体を形成します。凝集物は、粒子が凝集して質量が大きくなるため、溶融プールに到達しない場合があります。したがって、溶融池の形成に寄与する粒子は少なくなります (図 4b)。 WA粉末を処理する際、溶融プールもかなり無秩序で不安定な挙動を示しました（図5（e）-（h））。これは、GA粉末と比較して粉末中の酸素含有量が高いためであると考えられます。

金属粉末に対するレーザー処理の効果は、AM 研究の焦点です。これらの問題の一部は、プロセス中に発生する飛沫が原因です。粉体の飛散は、主に反動圧力とマランゴニ流の結合と、誘導された空気流によって引き起こされる蒸気駆動の粒子の巻き込みという 2 つのメカニズムによって引き起こされます。図6aは、溶融プールに作用する反動圧力によって引き起こされる溶融プールの変動を示しています。溶融池はレーザー照射下で振動し、最初に突起を形成します（図6b）。表面張力が低下すると、毛細管力によって溶融池を保持できなくなり (これはプラトー・レイリー毛細管不安定性として知られています)、細長いネックが形成されます。最後に、飛沫の運動エネルギーが溶融池の毛細管圧力を超えると、球状の液滴が噴出されます (図 6c)。

図 6 レーザー照射下の GA4130 低合金鋼粉末の溶融プールの変動を強調したスナップショット (16000 fps)。(a) 溶融プールの振動から始まり、(b) 徐々に膨らみ段階に向かって伝播します。 (c) 表面張力が低下すると、毛細管力によって溶融池を保持できなくなり、飛沫状の液滴が形成されます。
反動による飛沫の直径は通常、原料の直径よりも大きいため、飛沫が粉末床に落ちると、粉末層が不均一になります。これを除去しないと、ビルドプレート上の材料の均一な分布に影響します。図 7 は、GA (図 7a) および WA (図 7b) 粉末のレーザー-材料相互作用領域から放出される、飛行中の反動駆動スプラッシュ粒子を示しています。

図7. GA（a）とWA（b）における火薬と反動飛沫の大きさの違い。空中に舞い上がる粉は円形をしており、元の粉よりも大きく見えます。画像は望遠鏡レンズを通して毎秒 8000 フレームで記録されました。
プロセス中に生成されるスパッタのサイズと量を理解することは重要ですが、各システムの実行後に収集されたデータで定量化することは困難です。冷却条件はガス噴霧プロセスの場合と似ているため、初期の粒子の形状が不規則であっても、反動駆動ジェットは球状の形態を獲得します。放出された粒子の直径は通常、元の粉末よりも大きくなります。これは GA および WA 粉末の処理に適用されます。

図8 GA（a）およびWA（b）低合金鋼粉末のレーザー加工後のスパッタと粉末の収集。スパッタ表面に付着した溶融粒子も観察できます。
図 8 は、反動によって飛散した飛沫が粉末床に落下する様子を示しています。画像は、実験中にスパッタ収集エリアから収集されたスパッタと生粉末を示しています。 GA（図8a）とWA（図8b）の低合金鋼粉末の送り駆動スパッタと反動駆動スパッタのサイズの違いは明らかであり、スパッタ表面の溶融粒子も観察できます。

粉末層の多孔性と酸化物含有量は、スパッタの発生に影響を与えます。温度が上昇すると、粒子間に閉じ込められたガスや粉末表面から脱着したガスが膨張し始め、飛沫の放出が促進されます。粒子表面に集中した酸化膜は、前の粉末層と基板との濡れ度を低下させ、欠陥の形成につながる可能性もあります。さらに、粉末の基材への付着力が低下すると、粉末層の品質が低下します。

使用される原材料に関係なく、AM では粉末の飛散が一般的な現象であることを指摘することが重要です。酸素や硫黄などの表面活性元素の濃度のわずかな違いが、金属の熱毛細管力を変化させる可能性があります。表面張力が低下すると、液滴はより低い流体流速で溶融池から脱出できるようになります。材料中の酸素含有量が高いと、溶融池の表面全体に大きな表面張力の勾配が生じ、溶融物の循環が引き起こされ、かなり強い流体運動が発生することがこれまでに実証されています。

実際、Dubberstein らは、酸素含有量をわずかに増加させるだけで、溶融鋼の表面張力が大幅に低下する可能性があることを報告しました。その結果、溶融プールが不安定になり、最終的にはスパッタの放出を引き起こす可能性があります。この研究では、両方の材料について、粉体層の後ろに集められた飛沫の質量を測定しました。結果は、WA 粉末を処理した場合の方が GA 粉末を処理した場合よりも多くのスパッタが発生したことを示しました (それぞれ 0.55 g と 0.13 g)。プロセスパラメータと条件は両方の粉末に対して一定に保たれたため、結果として生じる吐出量の違いは、WA 粉末の酸素含有量が高いことによるものと考えられます。

3.3. WA粉末とGA粉末の弾道高さの違い 図9は、GAおよびWA低合金鋼粉末を使用して生成された凝固トラックの光学画像を示しています。実験中、パラメータは一定に保たれました。レーザービームの焦点面は表面に配置され、トップハットに近いビームプロファイルを形成し、ビームは連続波として動作しました。

図9 GA（a）およびWA（b）粉末の凝固溶融痕跡。 6トラックのレーザー出力は250W、スキャン速度は3m/分、磁性層の厚さは100μm、ハッチ間隔は1mmであった。
一般に、レーザービーム (直径、出力、プロファイルなど) とスキャン速度は、溶融プールの前を走るレーザービームのごく一部を除いて、粉末粒子と直接相互作用しません。粉末粒子はレーザービームと相互作用する前に融点に達します。したがって、レーザーは主にすでに溶融した材料と相互作用します。代わりに、ビームと速度によって溶融プールの形状が決まります。溶融プールへの粒子の取り込みは、溶融プール前面の形状に依存します。

粒子が溶融池で溶けると、その元の形状はその後のメカニズムに影響を与えなくなります。逆に、粉末の異なる化学的性質は、特に表面張力の違いを通じて、特定の物理的性質や関連するメカニズムに影響を及ぼす可能性があります。粉末中に酸素や硫黄などの表面活性元素が存在すると、表面張力が変化し、溶融物内の流体の流れが変化し、溶融プールの不安定性につながります。

市販の LPBF システムと比較すると、スキャン速度が低い (3 m/分) ため、溶融プールが広くなります。長さに沿ってトラック幅にわずかなばらつきがありますが、これはおそらく溶融プールの不安定性によるものです。2 つの粉末の平均溶融プール幅は似ていますが、トラックの高さと断面積には違いがあります (図 10 を参照)。この違いは、粉末層内の 2 種類の粉末の充填挙動に起因します。

図10 GA（a）粉末とWA（b）粉末のトラック高さの違い。
粉末の形状は、LPBF の層積層特性に影響し、プロセス効率に影響します。単一ビード測定の結果、WA 粉末を使用した場合、GA 粉末を使用した場合と比較して、トラックの高さが 15% 減少することが示されました (図 10)。さらに、WA粉末の計算されたトラック断面積は、GA粉末の断面積よりも31％低くなっています。これは、原料の相対密度と粉末の単一層の梱包との関係を示しています（セクション3.1で説明されています）。この結果は、粉末流能力の向上と、レーザー材料相互作用領域へのより高い粒子の触媒によっても説明できます。値を表3に示します。

表3光学顕微鏡とImageJによって決定されるGAおよびWA粉末の高さ（H）および面積値（平均）。 GAとWA粉末の間で得られるトラック高さの違いは、WA粉末の多孔質粉末床が粉末層内の熱伝導の減少につながることを示唆しており、したがって、より効率の低いAMプロセスになります。

4. 結論 この研究の結果は、WAがレーザー照射下でGA 4130低合金鋼粉末とは異なる動作をしていることを示しています。次の結論を導き出すことができます。

•結果は、WAパウダーを使用して連続トラックを作成することが実行可能であることを示しています。したがって、この材料は、最も一般的に使用されるGA粉末の代わりになる可能性があると結論付けることができます。ただし、処理する前に、材料包装動作の違いを考慮する必要があります。

•WAパウダーを使用する場合のトラックの高さは、GAパウダーで得られた値よりも15％低いです。さらに、WA粉末の断面積は31％減少しました。これは、バルク密度が低い（ガリウム粉末よりも18％低い）と、凝集して機械的にインターロックする傾向がある材料の不規則な形態に起因します。

•WAおよびGA粉末の処理特性は、レーザー照射下での粉末挙動に関連して高速イメージングによって評価されました。結果は、WA粉末がその不規則な形状のために異なる粒子エントレイン挙動を持っていることを示しており、それが隣接する粒子と接触する原因となっています。これにより、パウダーが粉末床から分離できなくなります。したがって、溶融プールに到達する粒子が少なくなり、その中に浸されます。

•HSIによると、WAパウダーにはより頻繁なスプラッシュスプレーがあります。スプラッシュコレクションエリアから得られた大衆は、この発見を確認します。これは、WA粉末の酸素含有量が高いため、溶融プールの不安定性を引き起こす可能性が最も高いです。

出典：添加剤製造、添加剤製造、doi.org/10.1016/j.addma.2020.101675のための水とガスの霧化低合金鋼粉末の比較研究
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デルフト工科大学は3Dプリントされたマイクロアーキテクチャインプラントを最適化し、骨リモデリングのパフォーマンスを64％向上させました。

上海マンカティが新しいデスクトップ3DプリンターE180を発売

素晴らしい！ 3Dプリントでプラスチック廃棄物をスタイリッシュなサングラスに変える

曹宇：3Dプリントは「壁を破り」続け、「新しいエンジン」を作動させる

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マテリアライズとHPが積層造形プロセスのユーザーコントロールを強化

1からNまで、3Dプリントの産業化の規模は爆発しようとしており、「シャベル売り手」は注文を心配せず、生産拡大に忙しい

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高性能共有結合適応型ネットワーク形状記憶ポリマーの再構成可能な 4D 印刷

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ADDiTEC は、液体金属ジェット (LMJ) とレーザー指向性エネルギー堆積 (LDED) の 3D プリント部品をレースカーに使用

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