完璧な金属 3D プリントのための合金の微量化学の調整

出典: Bering 3D 過去数十年にわたり、金属 3D プリントは、複雑な形状と強力な機能を備えたカスタマイズされた部品の作成を先導してきました。しかし、付加製造業者が 3D 印刷のニーズに合わせてより多くの合金を追加するにつれて、均一で欠陥のない部品を作成するという課題も生じます。
テキサス A&M 大学の研究者による新たな研究では、レーザー粉末床融合 3D 印刷技術を使用して高品質の金属部品を製造するプロセスがさらに改良されました。機械学習とシングルトラック 3D 印刷実験を組み合わせることで、マイクロスケールで均一な特性を持つ部品を印刷するために必要な、好ましい合金化学とプロセスパラメータ (レーザー速度や出力など) を特定しました。

「当初の課題は、印刷した部品に気孔がないことを確認することでした。気孔があると、機械的特性を強化した物体を作成する上で明らかに致命的だからです」と、材料科学工学部の博士課程の学生であるライヤン・シーデ氏は語った。「しかし、以前の研究でこの課題に取り組んだ後、今回の研究では合金の微細構造の微調整をさらに深く掘り下げ、最終印刷物の特性をこれまでよりも細かいスケールでより細かく制御できるようにしました。」
研究者らは研究結果を「Additive Manufacturing」誌に発表した。
他の 3D 印刷方法と同様に、レーザー粉末ベッド融合法では 3D 金属部品を層ごとに構築します。このプロセスは、金属粉末の薄い層を基板上に転がし、目的の部品の断面設計を追跡する軌道に沿ってレーザービームで粉末を溶かすことから始まります。次に、別の層の粉末を塗布し、このプロセスを繰り返して、最終部分を徐々に構築します。
積層造形に使用される合金金属粉末は非常に多様であり、ニッケル、アルミニウム、マグネシウムなどの金属の混合物がさまざまな濃度で含まれています。印刷プロセス中、これらの粉末はレーザービームによって加熱され、その後急速に冷却されます。合金粉末内の個々の金属は冷却特性が大きく異なり、凝固速度も異なるため、この不一致によりミクロ偏析と呼ばれる微細な欠陥が生じます。
「合金粉末が冷えると、個々の金属が沈殿します」とシーデ氏は言う。「水に塩を注ぐことを想像してください。塩の量が少ないとすぐに溶けますが、さらに塩を注ぐと、溶けなかった余分な塩の粒子が結晶として沈殿し始めます。これは基本的に、印刷後に急速に冷却されたときに私たちの金属合金に起こることです。」
こうした欠陥は、印刷された部品の他の部分とは金属成分の濃度がわずかに異なる小さなポケットとして現れる、と彼は述べた。これらの不一致により、印刷されたオブジェクトの機械的特性が損なわれる可能性があります。
このような微小欠陥を修正するために、研究チームはニッケルと他の金属成分を 1 つ含む 4 つの合金の凝固プロセスを研究しました。特に、これらの合金のそれぞれについて、ニッケルベースの合金中の他の金属の濃度が増加すると、さまざまな温度で存在する物理的状態、つまり相が調べられました。詳細な状態図に基づいて合金の化学組成を決定し、積層造形中の微細偏析を最小限に抑えることができます。
次に、研究者らは、異なるレーザー設定で合金金属粉末の単一トラックを溶かし、多孔性のない部品を製造するプロセスパラメータを決定しました。次に、研究者らは、状態図から得た情報とシングルトラック実験から収集した情報を組み合わせて、微小偏析のない多孔性のない印刷部品を製造するためのレーザー設定とニッケル合金組成の包括的な見解を得ました。
最後に、研究者たちはさらに一歩進んで、機械学習モデルをトレーニングし、単一トラックの実験データと状態図のパターンを認識して、他の合金にも適用できるミクロ偏析方程式を開発しました。シーデ氏は、この方程式は凝固範囲、材料特性、レーザー出力と速度に基づいて偏析の程度を予測するように設計されていると述べた。
「私たちのアプローチは、微細なスケールであっても欠陥の発生を心配することなく、積層造形において異なる組成の合金をうまく利用することを簡素化します」と、シェブロンI教授で材料科学工学科長のイブラヒム・カラマン氏は語ります。「この研究は、カスタマイズされた金属部品を製造するためのより良い方法を常に模索している航空宇宙、自動車、防衛産業に大きな利益をもたらすでしょう。」
研究の共著者であるレイムンド・アロヤベ氏とアラア・エルワニー氏は、彼らのアプローチはシンプルさにおいてユニークであり、厳選された合金を使用して強力で欠陥のない部品を作成するために産業界が簡単に採用できるだろうと付け加えた。彼らは、自分たちのアプローチは、処理条件を最適化するために主に高価で時間のかかる実験に依存していたこれまでの取り組みとは対照的であると指摘している。

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