LLNL のエンジニアが部品の品質を保証するために液体金属噴射の現場監視ツールを開発

2021年11月3日、アンタークティックベアは、ローレンスリバモア国立研究所（LLNL）のエンジニアが液体金属ジェット（LMJ）製造部品を最適化するための新しい3Dプリント方法を開発し、液滴の噴出をリアルタイムで監視できるようになったことを知りました。
LLNL チームは、高速ビデオ撮影に基づく従来の高価なアプローチを使用するのではなく、近接場検出とシミュレーションを組み合わせて、放出された物質を分析する際に 1 つのパラメータだけに焦点を当てる方法を考案しました。研究者らは、この方法を使用すれば、部品の品質を修正するためにプリンターの設定を調整する前に、ノズルの問題の原因をリアルタイムで特定できる可能性があると述べている。
「私たちの研究結果は、ミリ波検出法を使用して LMJ の現場監視が可能であることを示しています」と、研究の主執筆者である Tammy Chang 氏は述べています。「これは、これまでリアルタイムの性能評価とフィードバック制御を実現して高品質の金属印刷部品を保証するために使用されていた高価な高速、高解像度の光学分解能機器を置き換えることができることを意味するため、非常に喜ばしいことです。」

LMJ の問題をリアルタイムで特定する<br /> 液体金属ジェッティングは、ノズルから高速で噴射される小さな金属液滴を使用して点から線を形成し、それが層を形成して均一な部品を組み立てる新しい 3D 印刷方法です。これはインクジェットプリンターに似ています。しかし、レーザーベースのシステムと比較すると、LMJ マシンは危険な金属粉末を使用する必要がないため、同じ目的を達成するためのより安全な手段を提供できる可能性があります。
噴射技術の新しい用途が開発され続けるにつれて、その性能はますます注目されるようになりました。一部のアプリケーションでは、最適なパラメータセットを決定することが困難な場合があります。これは主に、噴霧材料が液滴サイズや噴霧時間から速度、流量、温度まで、多くの要因の影響を受けるという事実によるものです。
LMJ の動作を分析するために高速ビデオ撮影がよく使用されますが、処理上の制限により膨大な量のデータを精査するには数日かかるため、この方法は実際に役立つのは数秒間だけです。リアルタイム分析をより実現可能にするために、LLNL チームは、ギガバイト単位の情報のキャプチャよりもシミュレーションに重点を置いたスケーラブルなアプローチを開発しました。
△LLNLチームの実験的な物質噴射モニタリング装置。画像は応用物理学ジャーナルより。 △オープン導波路のシミュレーション結果。すべての寸法はミリメートル単位です。 (a) 長方形導波管穴の寸法。金属液滴の直径はd、高さはzD ¼ 0、導波管の端からの距離はsです。 wW ¼ 7:11、wL ¼ 3:56、c ¼ 3:46、t ¼ 3:81、h ¼ 14:26。高さzD ¼0、導波管の端からの距離s。 (b) 開いた導波管の瞬間電界の大きさ。開いた導波管の瞬間的な電界の大きさ。 (c) 直径800μmの液滴がs ¼ 7、z ¼ 0にあるときの瞬間電界。 (d) および (e) 異なる液滴高さの関数としての反射損失の大きさと位相。導波管からの距離 s の関数としての液滴の高さ。 (f) および (g) 異なる液滴直径における液滴高さの関数としての反射損失の大きさと位相。 △直径が既知の金属球を使用した制御された実験。 (a) 実験のセットアップ。 (b)-(d) 異なる液滴間隔でS11を測定した時間領域の結果。液滴直径：1.98mm。 (e) 3つの球径（0.79、1.98、2.38 mm）におけるS11の相対変化。
工場レベルの生産に活用できるLMJモニタリングツール<br /> エンジニアが改良した監視方法は、主に、生産工程中にプリンターに対して垂直に開いた導波管を配置し、放出された液滴がその開口部の電磁場を通過するようにするものです。そうすることで、ビデオ分析のみを使用する場合よりもはるかに少ないデータで、金属液滴の動態をその場で捉えることができます。
LLNL チームは、このアプローチを実践するために、アルミニウム導波管を LMJ 3D プリンターのビルドチャンバーに挿入し、システムの両側にカメラを設置して結果をキャプチャしました。興味深いことに、研究者たちは一度に 1 つのパラメータに焦点を当てることで、電磁気シミュレーションを通じて液滴の挙動の微視的解像度を得るのに十分なデータを蓄積することができました。
たとえば、噴射プロセス中に、チームは液滴の間隔と直径が印刷層の特性に及ぼす正確な影響を非侵襲的に判断することができました。エンジニアたちはデータをさらに評価することで、実験中に発生した印刷ノズルの詰まりの原因も突き止めることができました。詰まりが発生したとき、捕捉された波長に目に見える変化があったからです。
ノズルの表面に張力が生じて材料の噴射が妨げられ、プリンターからの次のパルスで噴射されるまで液滴がその場に留まってしまうことが判明しました。そのため、研究者たちは、この方法を工場で導入すれば、付着した液滴の品質をリアルタイムで判断することができ、製造業者は印刷の失敗を最小限に抑えることができると考えています。
研究の共著者であるアンディ・パスカル氏は次のように結論付けています。「きれいでまっすぐに落ちる単一の液滴ジェットを得ることが、優れた印刷品質を実現する鍵です。高速ビデオは、新しい印刷パラメータをテストするラボ規模の環境ではうまく機能しますが、この種の解像度が非常に役立つ生産環境では決して機能しません。」
LLNL の解像度ツールは現在、400～500μm の小さな液滴も検出できます。さらに、他の信号処理方法を使用すれば、これを閉ループシステムに変換し、データを使用して印刷パラメータをその場で調整することも可能になるかもしれません。
△後処理後の XJet 3D プリント部品のトレイ。マテリアルジェッティング部品は、新たな最終用途を見つけ続けています。写真提供：XJet。
AM 向けマテリアルジェッティング技術<br /> 多くの高度な製造プロセスと同様に、マテリアルジェッティング 3D プリンティングは、エンジニアが大規模製造向けの機能を開発しようとしているため、継続的な研究開発の対象となっています。そうは言っても、ジェッティング技術がまだ最終用途を見つけていないと考えるのは間違いです。現在、業界全体でいくつかの企業が、マテリアルジェッティングと呼べる技術を販売しているからです。
たとえば、Stratasys は Polyjet テクノロジーで大きな進歩を続けており、今年初めにデスクトップ J35 Pro を発売することを決定しました。このシステムは、同社の材料噴射プロセスをオフィスで働く人々が利用できるように設計されており、消費者向け製品や電子機器の試作、学術用途に最適であると言われています。
HP は、もう 1 つのよく知られた材料噴射技術である Multi Jet Fusion (MJF) を開発しており、これは世界中の 3D 印刷サプライヤーに採用されています。さらに、マシンの互換性が拡大し続けるにつれて、その用途も拡大しており、Materialise などの企業は、HP システムの潜在能力を解き放つように設計された専用素材をこれまでにも発売しています。
一方、マテリアルジェッティングの専門企業である XJet は、Straumann との提携を通じて、セラミック対応の Carmel 1400 3D プリンターの最終用途である歯科用途を見つけました。この印刷システムの高いスループットと可溶性サポートの互換性は同社にとって有益であると言われており、印刷された部品の後処理を心配する必要がなくなり、歯科専門家は患者と過ごす時間を増やすことができるようになったという。
研究者らの研究結果は、T. Changa、S. Mukherjee、NN Watkins、E. Benavidez、AM Gilmore、AJ Pascall、および DM Stobbe が共同執筆した論文「液体金属液滴オンデマンド印刷のためのミリ波電磁気モニタリング」に詳しく記載されています。
関連論文リンク: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0065989

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