非粉末床金属積層造形法のレビュー：技術と課題

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

ドレクセル大学、南京理工大学、ジョージア工科大学の研究者らが、非粉末床金属積層造形技術と課題を検討しました。関連論文は「非粉末床金属積層造形のレビュー：技術と課題」というタイトルでMaterialsに掲載されました。

金属付加製造技術は 1990 年代から大きく発展し、その市場価値は 2022 年に 63 億 6,000 万米ドルに達し、2023 年から 2030 年の間に 24.2% の CAGR で成長すると予測されています。パウダーベッドフュージョンやバインダージェッティングなどのパウダーベッドベースの方法は、高精度と高解像度のため市場で主流となっていますが、構築時間が長い、コストが高すぎる、安全性に懸念があるなどの課題に直面しています。直接エネルギー堆積、材料押し出し、シート積層などの非粉末床技術には、構築サイズが大きく、エネルギー消費が少ないなどの利点がありますが、残留応力や表面仕上げの悪さなどの問題もあります。非粉末床金属積層造形に関する既存のレビューは、特定の技術分野または特定の材料に限定されています。このレビューでは、製造方法、材料、製品品質などの観点から各非粉末床技術を研究・分析し、理解と比較しやすいようにまとめています。革新的なデザインや研究の現状についても取り上げます。
図 1. 現在の主な非粉末床金属 AM 技術のカテゴリ。
直接エネルギー蓄積<br /> 図 2 は、3 種類のレーザー直接エネルギー蓄積 (LDED) のメカニズムを示しています。図 2a は、金属粉末を使用したレーザー直接エネルギー堆積のメカニズムを示しています。レーザー直接エネルギー堆積には、金属粉末とワイヤの両方の原料を使用できます。金属粉末がノズルを通して表面に送られ、レーザービームによって層ごとに溶かされ、3次元の物体が形成されます。対照的に、ワイヤ原料を使用したレーザー直接エネルギー堆積では、金属ワイヤを基板に送り込み、それをレーザーと接触させます。基板上に溶融池が形成され、そこにワイヤが供給されて溶融され、冶金結合が形成されます。凝固後、レーザーと基板の相対運動を制御することで溶接ビードを形成し、その後、ワイヤの供給、溶融、堆積の連続プロセスを通じて立体物を作成します。比較すると、金属線は金属粉末よりも安全で保管も簡単です。しかし、金属ワイヤを溶かすには通常、より高いレーザー出力が必要となり、ワイヤベースのレーザー直接エネルギー堆積システムの設備コストが高くなります。図 2b は、ワイヤフィーダーが側面からワイヤを供給するサイドワイヤフィーディングメカニズムを使用したレーザー直接エネルギー堆積の概略図を示しています。図 2c は、ワイヤが印刷装置内に供給される同軸ワイヤ供給機構を示しています。

図 2. (a) 粉末ベースのレーザー直接エネルギー堆積 (LDED)、(b) サイドワイヤ供給による LDED、(c) 同軸ワイヤ供給による LDED。
図 3a は電子ビーム直接エネルギー堆積 (EB-DED) のメカニズムを示しています。一般に、電子ビーム直接エネルギー堆積法は、レーザー直接エネルギー堆積法と同様のメカニズムを使用して 3 次元構造を製造します。電子ビーム銃は熱源として使用され、真空環境が必要です。高真空環境は、汚染の少ない雰囲気を作り出し、チタンなどの反応性の高い金属を扱うのに役立ちます。ただし、真空環境では、その場での監視が困難になり、製造プロセスの閉ループ制御を実現する能力が制限される可能性があります。図 3b は、電子ビーム装置または電子銃の概略図を示しています。

図3. (a) 電子ビーム直接エネルギー堆積の概略図、(b) 電子ビーム装置の概略図。
図 4a ～ c は、金属不活性ガス溶接 (MIG)、プラズマアーク溶接 (PAW)、タングステン不活性ガス溶接 (TIG) の 3 種類のワイヤアーク積層造形 (WAAM) メカニズムを示しています。一般的な積層造形プロセスと比較すると、MIG は溶接装置に取り付けられた連続ワイヤロールにより、よりユーザーフレンドリーな方法ですが、TIG および PAW では追加のワイヤ供給装置が必要になります。 MIG は消耗ワイヤ電極を使用し、堆積速度は速いですが、精度が犠牲になります。一方、TIG では消耗しないタングステン電極を使用し、外部ワイヤを介して電力が供給されます。これにより、プロセスはより複雑になりますが、制御が向上し、精度が向上します。 PAW も非消耗性のタングステン電極を使用しますが、より集中した強力なプラズマアークを持つという点で異なります。この強みにより、3 つの方法の中で最も高い精度で、入熱と溶融池を細かく制御できます。
図 4. アーク積層造形法の種類: (a) 金属不活性ガス溶接、(b) タングステン不活性ガス溶接、(c) プラズマアーク溶接。
通常、図5aに示すように、溶接ガンはロボットアームに取り付けられ、3D金属印刷プロセスを実行します。産業用ロボットのコストの高さとアーク積層造形メカニズムの柔軟性の高さから、研究者は図 5b に示すように、溶接ガンをポータブル XYZ モバイルプラットフォームと統合することさえしました。
図5. (a) ABBロボットに搭載されたWAAM溶接ガン、(b) XYZ軸プラットフォームに統合されたWAAM溶接ガン。
図 6 は、コールドスプレー積層造形 (CSAM) のメカニズムを示しています。コールドスプレープロセスは、推進剤の気流の圧力に応じて、高圧コールドスプレー (> 1 MPa) または低圧コールドスプレー (< 1 MPa) に分けられます。図 6a は高圧コールドスプレー積層造形システムを示しています。このシステムでは、圧縮ガス流がガスヒーターを通過して推進ガスとして使用され、同時にキャリアガス流が粉末供給チャネルを通過して金属粉末が推進ガス流に輸送されます。 2 つの空気流が混合された後、ラバルノズルに入り、超音速のガスと粉末の流れが形成されます。粉末混合プロセスを成功させるには、キャリアガス流の圧力を推進ガス流の圧力よりも高くする必要があります。最後に、加速されたガスと粉末の流れが基板に衝突し、コーティングまたは堆積物を形成します。

図6. (a) 高圧コールドスプレー添加剤製造のメカニズム、(b) 低圧コールドスプレー添加剤製造のメカニズム。
図6bは低圧コールドスプレー添加剤製造システムを示しています。通常、圧縮ガスの代わりにポータブルガスコンプレッサーが使用されます。金属粉末はノズルの発散部の近くに注入され、局所的なガス圧が低いためガス流に放出されます。対照的に、低圧コールドスプレー積層造形システムはより安価で実用的です。

6ビーム直接ダイオードレーザー直接エネルギー蓄積

製造方法: Bambachらは、図7に示すように、6ビーム直接ダイオードレーザー直接エネルギー堆積装置を提案しました。 6 ビーム直接ダイオードレーザー指向性エネルギー堆積プリントヘッドは、最大レーザー出力 1 kW の産業用ロボットに搭載されています。プリントヘッド内で 6 本のレーザービームが生成され、光ファイバーを必要とせずに、コリメータと集束レンズを介して基板と材料に直接送信されます。供給材料の搬送には軸方向供給機構を使用し、熱線印刷試験の予熱には耐熱装置を使用しました。この設計のハイライトは、調整可能な単一レーザービームと同軸供給方式により、製造プロセスを簡素化できることです。このシステムは、ガス流の乱流により酸化物の蓄積につながる可能性がある従来のレーザー指向性エネルギー堆積システムと比較して、シールドガスの保護効果を保証します。

図7. (a) 同軸給電とレンズ配置を備えたレーザー直接エネルギー堆積プリントヘッドの設計。(b) レーザービーム配置、作業面の図、および0.91 mmレーザースポット測定のデモンストレーション。
材料と製品品質: 印刷材料は高温合金 INCONEL IN718 です。この材料は高温でも高いクリープ強度と疲労強度を有します。さらに、IN718 は降伏強度と引張強度が高く、延性と耐腐食性に優れています。超合金 IN718 は、ガスタービン部品、航空宇宙部品、原子炉など、さまざまな用途に使用されています。

図8は直方体のサンプルを示しています。実験では粉末を使用したため、粉末印刷されたサンプルは酸化を示しました。対照的に、コールドフィラメントとホットフィラメントで印刷されたサンプルは表面に光沢があります。図9に示すように、3つのサンプルの断面画像では、印刷品質がしっかりしていて良好であり、個々のトラック間の接着やベース材料との接着に欠陥がないことがわかります。
図 8. 粉末、コールドフィラメント、ホットフィラメントを使用してサンプルを印刷するための堆積戦略。図 9. (a) 粉末、(b) 冷線、(c) 熱線を使用して製造されたサンプルのマクロ (上) およびミクロ (中、下) ビュー。黒い矢印は成形方向を示します。赤い矢印は、ホットワイヤサンプルの再結晶領域を強調表示しています。
図 10 によると、製造プロセスでホットワイヤを使用すると、溶融プールのサイズが小さくなります。エネルギー入力が増加すると、溶融プールのサイズも増加します。予熱されたフィラメントは、冷たいフィラメントや粉末よりも印刷に必要なエネルギーが少なくて済むため、積層造形プロセスの精度とエネルギー効率が向上します。したがって、フィラメントを予熱すると、溶融プールのサイズが小さくなり、印刷解像度が向上します。
図10. ホットワイヤ、粉末供給、コールドワイヤの溶融プールサイズとエネルギー入力（J/mm）の関係、およびこれまでの研究結果。
結論: 全体的に、調整可能な単一レーザービームを使用し、ガスシールドを備えた 6 ビーム直接ダイオードレーザー直接エネルギー堆積技術は、高品質の材料を印刷するのに適しています。ワイヤフィードを予熱すると、溶融プールのサイズを縮小し、印刷解像度を向上させることができます。しかし、このアプローチでは、基板を溶かして融合させることによって基板への接着を実現するため、このメカニズムにより、印刷されたオブジェクトを基板から除去するための追加の後処理手順が必要になる場合があります。

液体金属支援直接エネルギー堆積

製造方法: 図 11 に示すように、液体金属支援直接エネルギー堆積法では、液体スズを巧みに直接エネルギー堆積の熱管理材料として使用します。パラメータ最適化、堆積要素構成調整、ビーム形状制御、統合支援方式に関するこれまでの研究と比較して、この新しいアプローチは、限られた熱管理領域、低い熱分布応答率、高い設備コストなど、従来の熱管理技術が直面している制限を効果的に克服します。
図11. 液体金属を利用した直接エネルギー蓄積メカニズム。
液体金属支援直接エネルギー堆積プロセスの重要な特徴は、金属堆積中の強化されたリアルタイムの温度および応力制御です。この能力は、最終製品の構造的完全性を確保するために非常に重要です。液体スズの追加により、大幅な改善がもたらされました。このメカニズムにより、サンプルと液体スズの間で熱が効果的に伝達され、サンプルのピーク温度が低下します。

液体スズのレベルを制御することにより、溶融プールのサイズとピーク温度をそれに応じて調整できます。さらに、液体スズは印刷プロセス中の熱拡散を助け、サンプルの温度分布が均一になり、変形が調整され、最終的に適切な残留応力管理が実現されます（図 12 を参照）。

図12. (a) 液体スズ補助なしの残留応力と欠陥、(b) 液体スズ補助ありの残留応力。
材料と製品品質: 液体金属支援直接エネルギー堆積プロセスでは、長さ 1.2 mm の Ti6Al4V ワイヤを原料として使用します。 Ti6Al4V は最も人気のあるチタン合金と考えられており、航空宇宙産業やバイオメディカル産業などさまざまな業界で用途があります。スズは、熱伝導率と液体状態での流動性に優れているため、補助熱管理材料として選択されました。原材料とスズ間の化学反応を避けるために、Ti6Al4V に不活性コーティングが施されています。印刷基板としてTi6Al4V板を使用しました。

図13は液体スズの効果を示しています。スズを使用したサンプルの印刷品質は、スズを使用しないサンプルよりもわずかに優れており、反りの程度はスズを使用しないサンプルよりも低くなっています。液体スズと堆積材料間の熱伝達により、冷却速度は約 20% 増加し、ピーク温度は約 400°C 低下しました。液体スズのレベルを調整することで、熱蓄積による不均一な熱分布を制限し、残留応力と形状変形を 30% 削減しました。
図 13. スズ助剤ありとなしの印刷サンプル。
図 14 に示すように、スズの使用により堆積物の粒径はより細かくなり (液体スズを使用しない場合の 200 μm と比較して約 150 μm)、目に見える亀裂のないバスケット状と層状の構造が交互に現れます。これは、Sn の導入後に冷却速度が上昇し、冷却速度が上昇すると結晶粒微細化のための歪みエネルギーが増加するためです。微細構造の粒子が細かくなると、微小硬度も約 30% 増加し、これはホール・ペイジ理論と一致しています。
図14. 粒度分布（a）スズなし、（b）スズあり。
概要: 一方で、この研究では、熱管理媒体としての液体スズの有効性を検証することに成功しました。液体スズを使用したサンプルは、形状がより優れており、角の反りが制限されています。さらに、液体スズはより細かい粒子とより高い微小硬度の形成に役立ちます。一方、製作したサンプルの品質は期待したほど高くなく、サンプルの表面仕上げも悪かった。そのため、細かな加工技術が必要となります。

熱間鍛造アーク積層造形法<br /> 製造方法：熱間鍛造アーク積層造形は、アーク積層造形と熱間鍛造を革新的に組み合わせたもので、材料は堆積直後に高温でその場で粘弾性変形を起こします。気孔率の最小化と粒径の微細化を目的としたこれまでの研究（冷間圧延や熱間圧延など）と比較して、大幅な追加設備の更新は必要なく、アーク積層造形の効率を向上させながら、機械的特性の向上と微細構造の微細化を確保することができます。

図 15 は、ガスシールド内に設置され、異なる周波数で動作する振動ドライバによって駆動されるハンマーを示しています。ハンマーが溶接トーチとともに動き、高温で堆積した層を叩きます。ハンマーは高抵抗接続を介して電源に接続されており、製造されたサンプルに接触したときに電流の流れを制限します。このカスタムアーク AM 溶接ガンは、作業領域が事前に設定された可動ヘッドに取り付けられています。 PRO MIG 3200 W 電源を使用して、軟鋼基板上に直径 1 mm の AISI316L ステンレス鋼でオブジェクトを印刷しました。この工程における鍛造温度は約 900°C であり、AISI316L ステンレス鋼の再結晶温度を超えています。
図15。（a）熱間鍛造アーク積層造形のメカニズム、（b）熱間鍛造アーク積層造形印刷装置。
材質と製品品質：印刷材料にはAISI316Lステンレス鋼が使用され、再結晶温度は約450℃です。 AISI316L ステンレス鋼は、金属積層造形でよく使用される材料です。 Danilo らは、さまざまな金属積層造形技術を使用した積層造形における AISI316L ステンレス鋼の応用について検討しました。 Majumdar らは、AISI316L ステンレス鋼の生物学的インプラントへの応用を研究しました。 Pradeep らは、航空宇宙分野における AISI316L ステンレス鋼の応用を調査しました。

図 16 は、異なるハンマー鍛造力、ハンマー形状、シールドガス流量を使用して印刷されたサンプルを示しています。ガスシールドのないサンプルは多孔性が高く、ハンマー力が加えられていないときに基板と最初のトラックの間に反りが見られました。比較すると、ガス保護を施したサンプルの表面仕上げは優れています。
図 16. 異なるプロセスパラメータで印刷されたサンプル。
図17は熱間鍛造の効果を示しています。鍛造力が増加すると、層は大きくなり薄くなりますが、接触面積が小さい長方形のハンマーを使用すると、この現象はより顕著になります。さらに、熱間鍛造プロセスにより堆積層がより平坦になり、新しい層の印刷に役立ちます。図18に示すように、熱間鍛造プロセス中、鍛造力が増加するにつれて気孔の量が減少しました。同時に、接触面積が減少する長方形のハンマーは、気孔の崩壊に対してより大きな効果を発揮します。微細構造の進化に関しては、熱間鍛造中に核生成サイトがさらに多く生成されるため、層内の粒径が小さくなります。熱間鍛造サンプルの引張強度は成形サンプルより約 8.6% 高く、延性は成形サンプルの 32.5% から熱間鍛造後の同じサンプルの 27.5% に低下しました。
図17.シールドガスと異なるハンマー力で製造されたサンプルの断面図。
図18. (a) 17 Nの鍛造力、(b) 円筒形ハンマーを使用した55 Nの鍛造力、(c) 長方形ハンマーを使用した55 Nの鍛造力での気孔率評価。
概要: この研究は、印刷されたサンプルの多孔性を低減することに焦点を当てており、熱間鍛造プロセスによって多孔性を低減することができます。さらに、熱間鍛造工程により機械的強度が向上します。一方、コンセプトは実証されているものの、今後の研究では印刷サンプルの品質にはまだ改善の余地があります。

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