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LLNL、3Dプリンティングの欠陥の理由を発見

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August, 7, 2017, Livermore--通常のレーザベース3Dプリンティングプロセスの高速画像が、新しくアップデートされたコンピュータモデルと一体になって、材料再配分の背後のメカニズム、プリントされた金属パーツの欠陥につながる現象が明らかになった。
 ローレンスリバモア国立研究所(LLNL)の研究チームは、溶融プールダイナミクスの超高速イメージングと高分解能シミュレーションを組合せ、粉体床積層造形プロセス(PBFAM)、スパッタ中のレーザパスから放出される液状金属粒子が、これまでに考えられていたレーザの反跳圧力からではなく、周辺のガスフローによる金属粒子の取り込みが原因で起こることを明らかにした。
 スパッタ粒子がレーザパスから跳びだし、パーツに戻ると、それが粉体床を汚染し、層の構築品質に影響する。それが最終金属パーツの粗さ、多孔性、溶融不足につながる、と論文の筆頭著者Sonny Lyは説明する。
 高速ビデオ画像は3種類のカメラで撮った。これには、最大1000万フレーム/秒のセンサが含まれる。LLNLエンジニア、Gabe Gussによると、レーザによる圧力波と溶けた金属のカウンタードロップだけでなく、粒子を吸い込む粉体床上方のガスフローも見える。粒子はすぐに溶けるか、レーザに触れることなく流れ去るかであった。
「溶融粒子の放出のわずか15%程度が溶融プールで跳びはねることによって起こることが明らかになった、それは想定されたメカニズムである。残りは主に、溶融プール上方のレーザビームを通り抜ける冷たい粒子であり、その他の要素である。商用プリンターを見ると、熱い放出が見え、それが内側への吸収効果ではなく、単なる外側へのガス圧からくるように見えるので、驚きである」とGuss氏はコメントしている。
 ビデオ画像は、他のAMアプリケーションで以前に立証された高忠実度シミュレーションと比較され、溶融プールの傾向がスパッタの方向に影響を与えることが明らかになった。
「このようなカメラは、溶融プール面の下で何が起こっているかを詳細に示すことはできな。シミュレーションが、レーザスポットの下の溶融プールの形態の違いを示した。これによって、実験観察を解釈することができた。これは、シミュレーションが実験を補完し、科学で重要な要素になる一例である」とシミュレーションを行ったLLNLコンピュータエンジニア/物理学者、Saad Khairallahは語っている。
 この発見は、粉体床プリンティングプロセスについての基本的な疑問に答え、現在のフローモデルの物理学改善に役立つと研究者は考えている。状況をもっとよく理解することで、研究者は基準値を確立でき、スパッタの影響を緩和し、材料のより効率的な利用ができるようになる。
(詳細は、www.llnl.gov)