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合金微量化学調整により欠陥のない3Dプリンティング

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October, 14, 2021, College Station--Texas A&Mの研究者は、レーザ粉末床溶融結合3Dプリンティング技術を使い欠陥のない金属部品を作製するためのプロセスを微調整した。

過去数10年、金属3Dプリンティングは、複雑な形状、高機能のカスタム部品作製における取組を主導してきた。しかし積層造形メーカーが3Dプリンティングニーズのために合金を増やすにつれて、均一で欠陥のない部品の製造が難しくなっている。

Texas A&M大学の研究者の新研究は、レーザ粉末床溶融3Dプリンティング技術を使い、優れた金属部品をセイゾスル工程をさらに改善した。マシンラーニングとシングルトラック3Dプリンティング実験の組合せを使うことで、研究チームは、マイクロスケールで均一な特性を備えた部品をプリントするために必要とされる、有利な合金化学とプロセスパラメタ、レーザ速度や粉末など、を特定した。

同大学材料科学・工学部博士課程学生、Raiyan Seedeは、「われわれの元の課題は、プリントされた部品に確実に空孔がないようにすることだった。それは,強化された機械的特性をもつ物体の製造には明確なキラーだからである。しかし、われわれの以前の研究の課題に対処した後、この研究では、われわれは合金のマイクロ構造の微調整を深く掘り下げた。以前よりもはるかに微細なスケールで最終プリント物体の特性のさらなる制御のためである」と説明している。
 研究成果は、Additive Manufacturingに発表された。

他の3Dプリンティング法のようにレーザ粉末床溶融も3D金属部品を層ごとに作製する。そのプロセスは、ベースプレートに金属粉末の薄い層をローリングすることから始まり、次に目的の部品の断面設計をトレースするトラックに沿ってレーザビームで粉末を溶融する。さらに、粉末の別の層が適用され、そのプロセスが繰り返されて徐々に最終部品が構築される。

積層造形に用いられる合金粉末は、実に多様であり、様々な濃度のニッケル、アルミニウム、マグネシウムなどの金属の混合を含む。プリンティング中にこれらの粉末は、レーザビームで加熱された後、急冷する。合金粉末中の個々の金属は、冷却特性が非常に多様であり、したがって固化のスピードも多様であるので、このミスマッチが、ミクロ分離と言われる一種の微視的欠陥となりうる。

Seedeによると、この欠陥は、プリントされた部分の他の領域とはわずかに異なる濃度の金属成分を含む微小なポケットのようである。これらの不一致は、プリントされた物体の機械的特性を危険にさらす。

この微視的欠陥を修正するために、研究チームは、ニッケルと一つの他の金属成分を含む4つの合金の固化を調べた。特に、これらの合金の各々でチームは、ニッケルベースの合金で他の金属の濃度を増やすために多様な温度で、存在する物理的な状態および相を研究した。詳細な相ダイアグラムから、チームは、AM中にミクロ分離になる合金の化学的成分を決定した。

次に、様々なレーザ設定でシングルトラック合金粉末を溶かし、空孔のないパーツとなるプロセスパラメタを決定した。さらに、相ダイアグラムから収集した情報と、シングルトラック実験で収集した情報を統合し、ミクロ分離のない空孔フリープリント部品を生成するためのレーザ設定とニッケル合金成分の統合見解を得た。

最後に、研究チームは、さらにセットアップを行うマシンラーニングをトレーニングして、シングルトラック実験データと相ダイアグラムにおけるパタンを同定し、どんな合金にも適用可能なミクロ分離のための方程式を開発した。Seedeによると、方程式は、所与の固化範囲、材料特性,レーザパワーおよびスピードで分離の範囲を予測するように設計されている。

「われわれの方法は、微細スケールでも、欠陥の導入を心配することなくAMの多様な成分の合金利用の成功を容易にする。この研究は、特注金属部品の、よりすぐれた構築法を絶えず探している航空宇宙、自動車,防衛産業に非常に有益である」と材料科学・工学部長、Chevron Professor I、Ibrahim Karamanは離している。
(詳細は、https://today.tamu.edu/)