バルク貴金属ガラス 3D プリントがジュエリー製造を変える可能性、ローザンヌとチューリッヒが共同で発表「AM」

はじめに: スイス連邦工科大学ローザンヌ校 (EPFL) とスイス連邦工科大学チューリッヒ校 (ETH) の研究者らは、高密度の非晶質でひび割れのないバルク金属ガラス (BMG) であるパラジウム合金 (PdCuNiP) を積層造形法で製造する研究に協力しました。結果は、この材料が時計や宝飾品の付加製造において重要な可能性を秘めていることを示しています。
△(a) 粉末のXRDパターン、(b) 粉末のSEM像、およびc) 粉末粒子の断面のSEM像。粉末粒子内部に気孔が存在することを示しています。
バルク金属ガラスは、BMG (ガラス状金属) とも呼ばれ、非晶質の固体材料です。高い強度と硬度、そして驚異的な弾力性を兼ね備えたこの素材は、産業革新に最適です。そのため、3Dプリントされた金属ガラスは軍事分野で重要な材料になる可能性があります。また、電子機器、スポーツ用具、宝石など、特定の分野では従来の工学材料に取って代わる可能性もあります。
△ 600 mm/s (左) および 1000 mm/s (右) のスキャン速度での単一レーザートラックのレーザー共焦点顕微鏡 (LCM) 画像。スキャン方向は右から左です。
研究者らは、レーザー粉末床溶融結合（LPBF）技術を使用して、密度99.6%のPd43Cu27Ni10P20バルク金属ガラス（BMG）部品を製造し、サンプルの微細構造と機械的特性、および非晶質粉末粒子の結晶化ダイナミクスを詳細に研究して部品の特性を評価しました。テストの結果、これらの部品は高い硬度や圧縮強度などの優れた機械的特性を示し、宝飾品や時計製造に通常使用される貴金属の限界を克服しました。さらに、印刷された部品は後処理を必要とせず、鏡のように滑らかで光沢のある表面を直接得ることができるため、部品の表面仕上げや美観に重要な役割を果たします。
△異なる加工パラメータで製造されたサンプル（上面図、XY）。 VED が高すぎると、不規則な形状と波状の表面が生じ (白い矢印を参照)、VED が低すぎると、粉末が完全に溶融して固化することができません (黒い矢印を参照)。
レーザー出力やレーザー走査速度などの主要な処理パラメータが単一トラックの形状に及ぼす影響をレーザー共焦点顕微鏡 (LCM) によって調査しました。研究者らは、異なるパラメータで 12 個のサンプルをテストし、最終的に最適な印刷パラメータを決定しました。電力 60 ワット、スキャン速度 600 mm/s、ハッチング距離 150 μm、層厚 40 μm、エネルギー密度 4.7 J/mm3 です。
△最適な条件のプロセスパラメータを見つけます。
シングルトラック実験に続いて、研究者らは、光学顕微鏡 (OM)、走査型電子顕微鏡 (SEM)、X 線回折 (XRD)、マイクロコンピューター断層撮影 (μ-CT)、圧縮試験、および微小硬度によって、高度に非晶質の 3D プリントサンプルの特性評価も行いました。研究チームはまた、高速示差走査熱量測定法（FDSC）を使用して、粉末合金の結晶化速度を研究しました。
△実験プロセス本研究におけるすべての実験では、サンプルを作るために 70g 未満の粉末を使用し、時間、材料、コストを最小限に抑えたと言われています。試験結果によると、この材料は高硬度や圧縮強度などの優れた機械的特性を持つ貴金属部品を効果的に生産できることが示されています。同時に、研究チームは、PdベースのBMGはガラス形成能（GFA）が優れているが、LPBFを使用して部品を製造すると、不純物の導入が減り、結晶化を回避できることも発見した。

参考文献: Sohrabi, N., Jhabvala, J., Kurtuldu, G., Frison, R., Parrilli, A., Stoica, M., Neels, A., Löffler, JF, & Logé, RE (2021). 貴重なバルク金属ガラスの付加製造。Applied Materials Today, 24, 101080. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101080.

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