巨大X線施設は、磁石が3Dプリント部品の欠陥を減らすことができることを示している

March, 5, 2025, London--航空機やF1レーシングカーの安全性が重要な部品は、UCLとグリニッジ大学の研究者が開発した新しい技術により、製造プロセスの欠陥を大幅に減らすことができるようになる可能性がある。

その技術は、チームが高度なX線イメージングを使用して、複雑な3Dプリントされた金属合金部品に形成される欠陥の原因を観察した後に開発された。この技術が広く普及すれば、人工股関節から航空機の部品まで、様々な部品をより強く、より耐久性のあるものにすることができる。

Science誌に掲載されたこの研究は、レーザベースの金属合金3Dプリンティング中に作用する力を、これまでにない詳細かつリアルタイムで観察している。

そのために、チームはシカゴのAdvanced Photon Source(APS)シンクロトロンで製造プロセスの高速シンクロトロンX線イメージングを行い、レーザビームと金属原料との間の複雑な相互作用を1000分の1秒未満の時間スケールで記録した。

これにより、レーザで金属合金を溶かしたときに発生する蒸気の結果として、部品に小さな鍵穴状の細孔が形成されることや、3Dプリント部品の欠陥につながる鍵穴の不安定性の原因を確認することができた。

次に、チームは、部品が形成されるときに金属合金に磁場を印加して製造プロセスを観察し、レーザが溶融金属に当たる点を安定させ、欠陥を減らすのに役立つ可能性があると仮定した。

この理論は正しいことが証明され、適切な磁場が印加された状態でプリントされたコンポーネントの細孔形成が80%減少した。

UCL Mechanical Engineeringの研究の筆頭著者、Dr.Xianqiang Fanは、次のように説明している。
「レーザが金属を加熱すると、金属は液体になるが、蒸気も生成する。この蒸気は、溶融金属を押し離すプルームを形成し、J字型のくぼみを形成する。表面張力により、くぼみに波紋が生じ、その底が壊れて、完成したコンポーネントに細孔が生じる。

「このプロセスに磁場を印加すると、熱電力によって流体の流れが発生し、穴が「I」字型に見えるように安定する。波紋が発生したときに尾が折れることはない。」

レーザベースの金属合金3Dプリンティングでは、コンピュータ制御のレーザが金属粉末の層を溶かして複雑な固体形状を形成する。これにより、チタン製の自転車部品から生物医学用義肢まで、幅広い分野の高価値製品に使用するための比類のない複雑さを持つ合金部品の製造が可能になる。

高速で厚い層を得るために、レーザは人間の髪の毛の太さに強く焦点を合わせ、前面近くに鍵穴型の蒸気のくぼみを持つ溶融池を作り出す。しかし、この鍵穴は不安定で、最終部品に気泡が生じて細孔となり、機械的な耐久性に影響を与える可能性がある。

UCL Mechanical Engineering研究の筆頭著者Peter Lee教授は、「これらのタイプのコンポーネントの鍵穴孔は何十年も前から知られていたが、その形成を防ぐための戦略はほとんど知られていなかった。時折役立つことが示されていることの1つは、磁場を印加することだが、結果は再現可能ではなく、それが機能するメカニズムは議論の段階である。

「この研究では、磁石の有無にかかわらず、毎秒100,000回以上の画像を撮影することで、製造プロセスをこれまでにないほど詳細に観察することができた。これにより、熱電力を使用して鍵穴の空隙率を大幅に低減できることがわかった。

「実質的には、これは、著しく長持ちする高品質の3Dプリント部品を作成し、航空宇宙からF1まで、新しい安全性最重視するアプリケーションへの使用を拡大するために必要な知識を持っていることを意味する。」

この研究から得られた知見を応用する前に、メーカーは磁場を生産ラインに組み込むためのいくつかの技術的課題を克服する必要がある。著者らによると、この技術移転には数年かかる可能性が高いが、その影響は甚大である。

グリニッジ大学の研究の主任著者であるAndrew Kao教授は、「われわれの研究は、表面張力と粘性力の間に複雑なダイナミクスが存在するこのタイプの製造に関与する物理的な力に光を当てている。磁場を印加すると、これが妨げられ、さらに電磁減衰と熱電力が導入され、この作業では、後者がプロセスを有益に安定させるように作用する」と説明している。

「この新しい強力なツールを使用すると、原料材料やレーザビームの形状を変更することなく、メルトフローを制御できる。このツールをどのように適用して、様々な最終用途アプリケーションに合わせた独自の微細構造を開発できるかを非常に楽しみにしている。

「人工股関節の製造にせよ、電気自動車のバッテリーパックにせよ、積層造形の改善により、より高品質で3Dプリントされた部品をより迅速かつ安価に製造できるようになる」

この研究は、英国のEPSRCと王立工学アカデミーの支援を受けた。