マルバーンのホワイトペーパー: 金属積層造形における粒子サイズと形状の役割と測定の探求

はじめに: 近年、金属積層造形は、試作ツールから、部品を製造するための新しい、成熟した、経済的に実行可能な方法へと変化しました。金属3Dプリンターの年間販売台数は、2012年の200台未満から2019年には2,300台近くに増加しました。製造業における付加製造も、金属材料の市場シェアの拡大を推進しています。 2023年までに、このセグメントは製造市場全体の4分の1を占めると予想されています。
Malvern Panalytical は科学機器のプロバイダーであり、材料分析の技術と、粒子のサイズ、形状、電荷を測定するための主要機器を製造しています。関連機器には、レーザー粒度分布測定装置、粒度分布測定装置、X線回折計、ゼータ電位計、蛍光X線分光計、ゲル浸透クロマトグラフ、その他の精密機器が含まれます。 Antarctic Bear は、この会社が金属粉末の粒子サイズと形状が積層造形に与える影響について一連の分析を実施し、関連するホワイトペーパーを公開していることを発見しました。
△粉末床積層造形プロセス（SLMなど）では、粉末を迅速かつ均一に拡散し、余分な粉末を効果的に回収する必要があります。
ホワイトペーパーでは、金属 3D プリント粉末の品質が最終製品に大きく影響する可能性があることを示しています。指定された材料の合金組成が適合している必要があるだけでなく、酸素や窒素などの格子間元素や、完成部品の性能に影響を及ぼす可能性のある粒子状汚染物質の存在を制御するために、グレードも慎重に選択する必要があります。
粉末の形状と粒子サイズが積層造形に与える影響<br /> AM のパフォーマンスを決定するのは、化学的要因に加えて、嵩密度や流動性などの金属粉末の物理的特性です。高密度に詰め込まれた粉末は、欠陥が少なく一貫した品質の部品を生産します。また、優れた流動性により、粉末はベッド全体に均一かつ滑らかに広がり、気泡のない均一な層を形成します。嵩密度と流動性は、粒子のサイズや形状などの形態特性によって直接的に（ただし排他的にではなく）影響を受けます。たとえば、滑らかで規則的な形状の粒子は、一般的に、表面が粗い粒子や不規則な形状の粒子よりも流れやすくなります。これは、表面が粗いと粒子間の摩擦が増加し、不規則な形状の粒子は機械的に絡み合う可能性が高くなるためです。これら両方の影響により流動性が低下します。同様に、球形粒子は不規則な粒子よりも効率的に詰め込まれる傾向があり、その結果、詰め込み密度が高くなります。
△ガスアトマイズ粉末の代表的なアトマイズ粒度分布。各種先進粉末冶金製造技術で求められる粒度分布も含む。
粒子サイズに関しては、積層造形用の金属粉末は数十ミクロンの厚さの粉末層を形成できるように非常に細かくなければなりません。しかし、これらの「微粒子」は、移動だけでなく健康や安全にも問題を引き起こす可能性があります。粒子サイズが小さくなるにつれて粒子間の引力が増すため、一般に細かい粉末は粗い粉末よりも流動性が低くなります。粒子の形状を最適化すると、この影響を軽減することができます。粒子サイズと粒子サイズ分布も充填に影響します。具体的には、大きな粒子が残した空隙を細かい粒子が埋めると、最大の充填密度が達成されます。
粉末製造プロセスと性能への影響<br /> 積層造形で使用される金属粉末のほとんどは、ガスアトマイゼーションによって製造されます。このプロセスでは、原材料をるつぼで溶かし、ノズルから高圧ガス流（通常はアルゴンまたは窒素）に噴射し、溶融ガスを液滴に分解します。ガスアトマイゼーションによって生成される粒子サイズは、ガス圧、溶融特性、ノズル設計、ガスと金属の比率などのプロセスパラメータを変更することで制御できます。しかし、得られた粉末は、均一な厚さの粉末層を生成するために、より狭い粒度分布を必要とする積層造形プロセスには適していません。したがって、このプロセスでは、大きすぎる粒子を除去する「スキンニング」プロセスと、それに続く空気分級またはスクリーニングを含む、目的のサイズ分画を得るためにさまざまな後噴霧プロセスを適用する必要があります。
△金属粉末を製造する際に用いられるガスアトマイズプロセスの概略図。レーザー回折が活用できるポイントを示しています。
球状粒子は、充填特性と流動特性が優れているため、粉末床積層造形に最適です。ガス噴霧粒子は比較的球形ですが、噴霧プロセス中に小さな粒子と大きな粒子が融合または凝集して不規則な形状を形成するなどの他の可能性もあります。これは粉末の流れと充填に影響を与えるだけでなく、これらの粒子は非常に小さい（通常 1 ～ 10 ミクロン）ため、分離しようとすると空気中に舞い上がり、健康や安全上のリスクをもたらす可能性があります。 1 つの方法は、プラズマ原子化またはプラズマ回転電極プロセス (PREP) によるもので、球形の粒子をより多く生成できますが、価格は高くなります。
△レーザー回折測定の原理。分散した粒子からの回折光を最適な位置にある検出器で拾います。
次に、ホワイトペーパーでは、レーザー回折、自動画像解析、動的および静的画像解析などの粉末のサイズと形状の測定方法について説明します。最後に、金属粉末粒子のサイズと形状は、粉末層の充填と流動性に影響を与えることが述べられています。次に、これらの機能は AM コンポーネントの構築品質と最終的な特性に影響を与えます。したがって、粉末床積層造形の成功には、粒子のサイズと形状を理解して最適化することが重要です。レーザー回折と自動画像解析は、粉末床積層造形プロセス用の金属粉末を特性評価し、最適化するために使用できる補完的なツールです。
さらに、Antarctic Bear は、関心のある人がさらに調査しやすいように、別の関連ホワイトペーパー「粒子サイズ分析のためのサンプリング」も添付しました。

ホワイトペーパーのアドレス: https://pan.baidu.com/s/1_njxDupmXInrk3wknGmCag 抽出コード: 5reh

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