3Dプリンティングのブレークスルーにより、故障のない金属部品の3つの欠陥を同時に軽減

December, 6, 2024, Madison--ウィスコンシン大学マディソン校(University of Wisconsin-Madison)のエンジニアは、レーザ粉末床溶融結合と呼ばれる有名な積層造形(AM)技術を使用して、製造された部品の3種類の欠陥を同時に軽減する方法を発見した。

UW-Madisonの機械工学准教授Lianyi Chenが率いるチームは、欠陥の大幅な減少につながる可能性のあるメカニズムを発見し、処理条件を特定した。チームは、2024年11月16日にInternational Journal of Machine Tools and Manufactureに発表された論文で調査結果を詳しく説明した。
「これまでの研究では、通常、1 種類の欠陥を減らすことに焦点を当ててきたが、残りのタイプの欠陥を軽減するために他の技術を使用する必要がある。われわれが発見したメカニズムに基づいて、細孔、粗い表面、大きなスパッタなど、すべての欠陥を一度に軽減できるアプローチを開発した。さらに、そのアプローチにより、品質を損なうことなく、部品をより迅速に製造することができる」と、Chenは話している。

航空宇宙、医療、エネルギーなど、複数の業界では、アディティブ・マニュファクチャリング(3Dプリンティング)を使用して、従来の方法では作成が困難または不可能な複雑な形状の金属部品を製造することにますます関心が寄せられている。

しかし、アディティブ・マニュファクチャリング(AM)で作られた金属部品には、細孔や「ボイド」、表面の粗さ、大きなスパッタなどの欠陥があり、完成部品の信頼性と耐久性が大幅に損なわれることが大きな課題となっている。これらの品質問題により、3Dプリントされた部品は、故障が許されない重要なアプリケーションに使用されることはない。

UW-Madisonのチームの進歩は、部品の品質と製造生産性を同時に向上させる道筋を提供することで、レーザ粉末床溶融結合の広範な業界採用につながる可能性がある。

レーザ粉末床溶融結合は、高エネルギーのレーザビームを使用して金属粉末の薄い層を溶融および融合し、下から上に層ごとに部品を構築する。この研究では、UW-Madisonチームは、通常のガウス状ビームの代わりに、nLightという大手レーザ会社が提供する革新的なリング状レーザビームを使用した。

このブレークスルーでは、リング状のレーザビームが重要な役割を果たしたと、論文の筆頭著者でChenのグループの博Ph.D学生Jiandong Yuanは話している。

材料がプリント中に部品内でどのように振る舞うかを確認するために、研究者はアルゴンヌ国立研究所の超高輝度、高エネルギーシンクロトロンX線ユーザ施設Advanced Photon Sourceに行った。高速放射光X線イメージング、理論解析、数値シミュレーションを組み合わせ、レーザ粉末床溶融結合プロセスにおける不安定性を低下させる現象を含む欠陥緩和メカニズムを明らかにした。

また、研究チームは、リング状のビームを使用して、プロセスに不安定性を引き起こすことなく、材料に深く穴を開けることができることも示した。これにより、より厚いレイヤーをプリントできるようになり、製造の生産性が向上した。「根本的なメカニズムを理解していたため、リング状のビームを使用して高品質の部品を製造するための適切な処理条件をより迅速に特定することができた」とChenはコメントしている。