3Dプリンティングの欠陥の原因を特定

February, 28, 2019, Pittsburgh--産業変革に有望視されている積層造形(AM)を制約している深刻な問題がある｡最終製品の微小な気泡である｡これは､亀裂や他の欠陥の原因になる｡
　カーネギーメロン大学(Carnegie Mellon University)と米国エネルギー省(DOE) Argonne National LaboratoryのチームがScienceに発表した論文は､このような気泡がいつ､どのように形成されるかを明らかにしており､その形成も予測する方法も発表した｡これは3Dプリンティングプロセスを飛躍的に改善する情報である｡
　Argonne物理学者､Tao Sunは､｢キーホール現象は､Argonneで開発された特殊機能により､初めて詳細に観察することができた｡APSの強力な高エネルギーX線がカギになる｣とコメントしている｡
　研究チームは､Argonneの Advanced Photon Source (APS)にある高輝度､高エネルギーX線を使ってLaser Power Bed Fusion (LPBF)と言われるプロセスの超高速ビデオと画像を撮った｡同プロセスでは､レーザを使って材料粉末を溶かし融合する｡
　レーザは､各粉末層をスキャンし、必要な金属を溶融し､文字通り土台から最上部まで最終製品を作り上げる｡欠陥は､気泡がこの層にトラップされるときに形成され､最終製品の亀裂や故障につながる不完全性の原因となる｡
　これまで､メーカーや研究者は､レーザが金属にどのように穴を開け､｢蒸気の窪み｣と言われるキャビティを造るかについて詳細を知らなかったが､金属粉末のタイプ､あるいはレーザ強度が原因であると仮定していた｡その結果､メーカーは試行錯誤アプローチで様々なタイプの金属とレーザを使用して､欠陥を減らそうとしていた｡
　実際､研究チームは､レーザや金属を問わず､このような蒸気の窪みが､工程のほぼどんな条件においても存在することを明らかにした｡さらに重要なことは､小さな窪みが何時､大きく不安定なものに成長するかを予測する方法を示している｡こうした窪みは､潜在的に欠陥になり得る｡
　Rollettは､｢ほとんどの人々は金属粉末表面にレーザを照射すると光は材料によって吸収され､金属を溶かして溶融プールにすると考えている｡実際は､金属に穴を開けているだけである｣と説明している｡
　世界で最も強力なシンクロトロンの一つ､Argonne APSの非常に特殊な装置を使い､研究チームは､レーザが、製品の各層を造るために､金属粉床を移動する際に何が起こるかを観察した｡
　完全な条件では､溶融プール形状は浅く､半球であり､｢伝導モード｣である｡しかし実際のプリンティングプロセスでは､ハイパワーレーザは､低速で動くことがよくあり､溶融プール形状を、中に突起があるロックのキーホールのようなものに変える｡そのような｢キーホールモード｣溶融は､潜在的に､最終製品の欠陥になる｡
　｢この研究に立脚すると､AMで使用される粉末よりも､多くの点で､キーホール現象が､より重要であることが分かった｣とカーネギーメロン大学のRoss Cunninghamは指摘している｡｢われわれの研究は､キーホールになる要素を予測できることを示している｡つまり､良好な結果が得られるように､そのような要素を隔離することもできる｣｡
　研究から明らかになたのは､一定のレーザパワー密度が金属を沸騰させる点に達するときにキーホールが形成されること｡これは､積層造形プロセスでレーザ焦点の重要性を示している｡これは､今まであまり注意を払われていなかった要素である｡
　積層造形の研究をサポートする実験プラットフォームに含まれるのは、レーザ装置､特殊ディテクタおよび専用のビームライン測定器である｡
　この研究により積層造形装置メーカーは､装置を制御して柔軟性を高め､装置の改良が最終製品を大幅に改善すると､研究チームは考えている｡また､この識見に基づいて実行すると､3Dプリンティングプロセスが､一段と高速化する｡

(詳細は､https://www.anl.gov)