積層造形の欠陥をリアルタイムで検出

February, 2, 2023, Charlottesville--バージニア大学の材料科学&工学、准教授、TAO SUNをリーダーとする研究チームは、強力な金属部品に依存する航空宇宙および他の産業で積層造形(AM)を拡大できる新発見を発表した。

査読論文は、2023年1月6日、Science Magazineに発表された。これは、レーザ粉末床溶融結合(LPBF)という一般的な積層造形技術で、主要な欠陥の一つ、キーホールポアの形成検出問題に対処する。

1990年台に導入されたLPBFは、金属粉末とレーザを使って、金属部品を3Dブリンとする。しかし、多孔性欠陥が、航空機の翼のよに疲労に敏感なアプリケーションには課題となっている。ポロシティの中には、深くて狭い蒸気の窪み、つまりキーホールに関係しているものもある。

キーホールの形成とサイズは、レーザパワー、スキャニング速度、材料のレーザエネルギー吸収能力の関数である。キーホールウォールが安定していると、それは周辺材料のレーザ吸収を強め、レーザ製造効率を改善する。しかし、ウォールが不安定あるいは崩壊すると、材料は、そのキーホールの周りで固化し、材料の新規形成層内部にエアポケットをトラップする。これにより材料は､いっそう脆弱になり、環境応力下で亀裂が入りやすくなる。

Sunのチームは、プリンティングプロセス中、キーホール形成の正確な瞬間を検出するアプローチを開発した。

「オペランドシンクロトロンX線イメージング、近赤外イメージングおよびマシンラーニングを組み込むことでわれわれのアプローチは、キーホールポア生成に関連した固有のサーマルシグナチャを、サブミリ秒分解能､100%予測率で、捉えることができる」(Sun)。

リアルタイムキーホール検出法の開発で、研究チームは、最先端のツール､オペランドシンクロトロンX線イメージングの利用法も前進させた。マシンラーニングを使い、チームは、さらにキーホール振動の2つのモードを発見した。

「われわれの研究成果は、AM研究を先に進めると共に、金属部品製造のLPBFの商用利用拡大ｉ実質的に貢献できる」とRollettは、話している。同氏は、CMU、NEXTMANUFACTURING CENTERディレクタである。

「金属部品における多孔性は、産業によってはLPBF技術普及の主要な障害である。キーホール多孔性は、ラボスケールセンサを使ってリアルタイム検出する場合、最も厳しい欠陥タイプである。それが、表面下に確率的に起こるからである。われわれのアプローチは、高忠実、高分解能でキーホールポア生成を検出する実行可能なソリューションであり､多くの積層造形シナリオに直ちに適用可能である」とSunは話している。
(詳細は、https://engineering.virginia.edu)