金属3Dプリント技術 材料利用率が高く、金型を使わないニアネット成形が可能なため、航空宇宙、自動車製造、バイオメディカルなどの分野で広く使用されています。しかし、 金属3D印刷 ほぼ無限に複雑な部品の成形を実現できますが、気孔や介在物などの一般的な冶金欠陥は、この技術の大規模適用に対する制約となっています。この記事では、金属 3D 印刷プロセスにおける一般的な欠陥とその形成メカニズムについて説明します。これに基づいて、金属 3D 印刷の研究開発担当者に、内部欠陥を削減または排除するためのアイデアを提供できることを願っています。

メタルの台頭以来 3D印刷技術 1990年代、20年以上の開発を経て、航空宇宙などの国家重点建設分野で広く使用され、また、この技術はリバースモデリングとカスタマイズ生産を実現できるため、医療歯科分野でも大きく推進されています。

レーザー成形技術は金属3Dプリント技術の重要な分野であり、粉末床に基づくレーザー選択溶融技術とレーザー指向性エネルギー堆積技術が含まれます。レーザー選択溶融技術は、厚さ20〜100μmの粉末層を基板上に均一に広げることです。粉末は、作業エリアの隣にある液体貯蔵タンクまたはホッパーを介して均一に分配されます。通常、20W〜1kWの出力と最大15m / sのスキャン速度のレーザービームが使用されます。定義されたスキャン戦略に基づいて粉末を選択的に溶融し、基板を下げ、既存の層の上に別の粉末層を適用し、溶融プロセスを繰り返します。レーザー指向性エネルギー堆積技術は、デジタルモデルに基づいており、高エネルギーレーザービームを熱源として使用します。レーザービームを金属基板に照射して溶融プールを形成します。同時に、金属粉末を溶融プールに投入して溶融します。粉末は溶融プールで溶融します。溶融池が移動すると、溶融金属が急速に凝固し、点ごとに、層ごとに金属部品が繰り返し形成されます。上記 XNUMX つの技術の成形プロセスでは、溶融金属が他のガス、特に酸素と反応するのを防ぐために、不活性ガス (アルゴンや窒素など) がプロセスチャンバーに供給されます。現在、レーザー成形プロセスでは、チタン合金、アルミニウム合金、コバルトクロム、ステンレス鋼の粉末が一般的に使用されています。レーザー指向性エネルギー堆積技術と比較すると、レーザー選択溶融は成形効率が低くなりますが、形成された部品の表面仕上げ、寸法公差、および特徴解像度は、レーザー指向性エネルギー堆積プロセスで作られた部品よりも優れています。

既存の金属成形技術と比較して、金属レーザー成形プロセスには、融合不良や気孔などの冶金欠陥、およびこの技術に特有の急速凝固プロセス中に蓄積された残留応力によって引き起こされる亀裂などの欠陥など、さまざまな欠陥が含まれています。疲労亀裂は通常、気孔や介在物などの応力集中から始まるため、上記の欠陥は​​金属部品の疲労寿命に大きな影響を与えます。さらに、これらの欠陥は局部腐食をさらに促進し、疲労亀裂を刺激します。疲労性能は、合金金属部品の最も重要な特性の1つです。航空宇宙および生物医学用途の金属積層造形部品は通常、複雑な動的負荷条件下で動作する必要があり、固有のレーザー成形プロセスの欠陥は、これらのコンポーネントの疲労性能に大きな影響を与えます。これに基づいて、本稿では、一般的な金属レーザー成形プロセスと欠陥形成の原因をレビューし、この方向の研究の理論的基礎を築くことを目指しています。

表 1 に、レーザー成形された金属部品で観察される主な欠陥カテゴリを示します。層ごとの製造戦略、局所的な加熱と急速な冷却、および粉末材料の消費により、レーザー成形された金属の一般的な欠陥は、主に気孔、未溶融粉末などとして現れます。上記の欠陥は​​通常、図 1 に示すように、疲労破壊面で検出される疲労破壊の原因です。図に示されている欠陥は通常、金属レーザー成形プロセス中のエネルギー不足または過剰によって発生します。プロセスパラメータは、タイプ、場所、形状、サイズ、方向、密度などの欠陥の特性に大きな影響を与えます。高品質の粉末 (球形度が高く、中空の少ない粉末) を使用し、層の厚さ、エネルギー入力、堆積方向、スキャン戦略、充填間隔、スキャン速度などのプロセスパラメータを最適化することで、欠陥を最小限に抑えることができます。製造された部品の後処理 (熱間静水圧プレスなど) によっても欠陥を最小限に抑えることができますが、完全に排除することはできません。プロセス中に基板を予熱して一定の温度に保ち、適切な冷却速度を維持するなどの他の方法も、最終部品の欠陥含有量に影響を与える可能性があります。

図1（a）に示すように、球形または楕円形の気孔の主な発生源は、部品の印刷プロセス中に大気保護チャンバー内の金属粉末と残留空気です。さらに、溶融池に供給されるエネルギーも最適化する必要があります。最適なエネルギーから逸脱すると、溶融が不十分になったり、溶融池と蒸発が非常に不安定になったりする可能性があります。エネルギーが多すぎると、激しい対流と大きな蒸気反跳が発生し、ジェットの飛散と不安定性が生じます。上記の現象により、溶融池に気孔が形成されます（図1（a）を参照）。液体金属の表面張力が支配的であるため、気孔の形状は通常、球形または楕円形です。さらに、球形の粉末粒子は、同じプロセスパラメータを持つ成形粉末粒子と比較して、粉末の流動性が向上するため、密度が高くなります。球形の粉末は飛散も減少するため、欠陥の数もある程度減少します。エネルギー密度が高すぎる場合、液体表面の表面張力によるせん断力により、ワークピースの表面に円形/球形の欠陥が発生します。堆積方向と垂直な未溶融粒子の周囲に、エネルギー密度が不十分なために形成された細長い欠陥。

球状粉末は飛散も抑えるため、欠陥の数も減ります。研究者らは、Al-Si 合金と Ti-Ta 合金のレーザー選択溶融を研究する際に、元素粉末混合物を使用しました。元素粉末は比較的低コストで製造が容易なため、レーザー成形の興味深い選択肢となり、選択レーザー溶融がこれらの金属で実行可能であることが実証されています。その場で調製された共晶 Al-Si 合金は、事前合金化された粉末から調製されたサンプルと比較して、極限引張強度が低く、可塑性が高くなっています。さらに、粉末混合物の選択レーザー溶融による高密度 Al-12Si 合金の調製には、事前合金化された粉末原料と比較して高いエネルギー密度が必要であり、これは複雑なその場反応プロセスに関係している可能性があります。選択レーザー溶融などのレーザー成形技術では、粉末混合物を使用するか、再コーティング剤に特殊なセパレーターを追加することで、12 つ以上の材料を各層に選択的に保存して堆積できるマルチマテリアル処理も可能になります。Demir らは純鉄とAl-10Siの選択的レーザー溶融によるマルチマテリアル処理を研究し、SingらはAlSi316Mgを研究し、Chenらはチタン合金とステンレス鋼の10LとCuSnXNUMX中間層を研究した。

酸化物粒子は、レーザー成形中に一部の合金（AlSi10Mg など）に気孔が形成される原因の 1 つであると考えられています。これらの酸化物粒子は、蒸発した合金がアルゴン雰囲気中の残留酸素によって酸化されることによって形成される可能性があります。プロセス中に、部品のレーザー溶融表面にさらに多くの酸化物粒子が観察されました。溶融アルミニウム合金は酸化物と酸化物粒子を濡らすことができないため、溶融金属の固化が阻害されます。レーザー加工された金属が酸化されると、焼結プールに金属セラミック界面が形成され、液体と固体の濡れ性が低下します。固体粒子と下層のマトリックスの濡れ性の欠如は、さまざまな金属でボール形成を引き起こす可能性があります（図 1(c) を参照）。レーザー成形プロセスはポイントごと、レイヤーごとに実行されるため、ボール形成効果により、不連続なトラック、ライン間の結合不良、多孔性、さらには剥離が発生する可能性があります。スキャン速度が極端に速いと、液体ボールが飛び散り、不完全な融合や欠陥の形成につながることもあります。ボール化により、図 XNUMX(e) に​​示すように、溶融材料が連続層ではなく液滴の列として固化することもあります。

これらの研究は、この技術の実現可能性を実証していますが、得られる引張強度は通常、少なくとも 1 つの材料の引張強度よりも低く、界面での融合の欠如がしばしば見られます。一般に、エネルギーが不十分なため、層間の結合が不足し、LOF 欠陥が発生します。LOF 欠陥は、図 6 (d) に示すように、未処理の粉末領域であり、主に層間または鋭いエッジを持つレーザー トラック間に現れます。通常、大きな LOF 欠陥には、溶融していない粒子または部分的に溶融した粒子が含まれます。プロセス中に亀裂が発生することもあります。Kasperovich らは、Ti-4Al-XNUMXV のレーザー選択溶融における欠陥を最小限に抑えることを目的として、プロセス パラメーターを最適化しました。エネルギー密度が高すぎる場合、表面張力によって液体表面に及ぼされるせん断力により、表面に円形/球形の欠陥が発生します。堆積方向に対して垂直な未溶融粒子の周りに、エネルギー密度が不十分なために形成された細長い欠陥。レーザー選択溶融プロセスは点ごと、層ごとに実行されるため、球状化効果により、不連続なトラック、ライン結合の不良、多孔性、さらには層間剥離が形成される可能性があります。

2 レーザー成形プロセスパラメータが表面粗さに与える影響

レーザー成形技術は近年進歩していますが、表面粗さは依然として大きな問題です。プロセス固有の再現性、表面に付着した半溶融粒子の存在、表面下および表面接続の欠陥により、従来の製造プロセスと比較して表面粗さが高くなります。表面粗さは、プロセスの種類、粉末サイズ、部品の形状、表面の向き、およびレーザー出力、スキャン速度、パターン充填間隔、層の厚さなどのプロセスパラメータによって大きく左右されます。

El Sayed らは、選択的レーザー溶融法で処理された Ti-6Al-4V 部品のレーザー出力と表面粗さの関係を説明する線形モデルを提案しました。この研究では、一定のスキャン速度とパターン充填間隔 35mm/s および 50µm で、レーザー出力を 21W から 9W に上げると、算術平均表面粗さ Ra 値が 250µm から 78µm に大幅に減少することが示されました。レーザー出力を上げると、レーザー選択溶融部品の上面と側面の粗さを大幅に減らすことができます。結果は、レーザー出力が高いほど反動圧力が大きくなり、溶融池が平坦になり、上面の品質が向上することを示しています。レーザー出力とエネルギー密度の増加により、溶融池の濡れ性も向上し、ボール状になる可能性が減り、側面粗さが大幅に改善されます。一方、別の研究では、上面の Ra の向上には必ず側面の Ra の劣化が伴い、その逆もまた同様であることが示されています。上記の問題は、熱変化によって溶融池内の表面張力が異なることで説明できます。溶融池が大きく、溶融池間の重なり領域が増加すると、表面粗さも大幅に改善されます。一定の充填間隔では、走査速度が増加すると溶融池のサイズが徐々に小さくなります。溶融池のサイズが小さくなると重なりが減少し、上面粗さが増加します。さらに、溶融池が固化すると、周囲の粉末から部分的に溶融した粒子が層の端に付着し、最終的な表面テクスチャを形成します。レーザー成形における層ごとの製造プロセスでは、表面特性と各表面の傾斜角度との間に高い依存性が生じます。堆積方向に向かって傾斜した上面と下面では、階段効果と呼ばれる現象が発生し、粗さが増加します。

堆積層に対して斜め方向に製造された試験片の場合、堆積層に面する下向きの表面は、上向きの表面よりも粗さが高くなります。張り出した側の熱放散率が低いため、より多くの粉末粒子が部分的に溶融して表面に付着します。試験片の張り出した表面は基本的に粉末上に構築されており、その熱伝導率は固化した部分よりも約 45 桁低くなります。この現象により、ビルド プラットフォームに対して下向きに 45° 未満の角度になっている表面の粗さが特に増加します。したがって、レーザー成形技術で製造された部品の表面トポロジーは、部品の方向に大きく依存します。通常、印刷する部品の向きを変更することで、角度が XNUMX° 未満の下向きの表面を回避します。これは、サポート構造を構築する必要性を回避するためでもあります。サポートを取り外すとバリが形成され、粗さが大きくなる可能性があるためです。

重力は支持されていない層の溶融プールにも影響を及ぼし、その下の未溶融粉末の中にたわみ、部品の下側または下面が上向きの表面または上面よりも粗くなります。 Gockel らによる研究では、算術平均高さ Ra および最大ピット高さ Rv で表されるプロセスパラメータと表面粗さの関係を調査しました。彼らは、構造化光スキャンや CT 測定などのさまざまな方法を使用しました。層厚が 718µm の一定合金 40 L-PBF 丸棒を使用した結果、Ra と Rv は両方とも、80 から 120 (W) の間でレーザー出力が増加すると減少することが示されました。Rv も、500~900 (mm/sec) の範囲でレーザー速度が増加すると減少しましたが、Ra に明らかな傾向は見られませんでした。選択的レーザー溶融部品の表面粗さは、再溶融方向が最初のスキャン方向と同じか反対である、さまざまな再溶融戦略によって変えることができます。 Yu ら共焦点顕微鏡、マイクロコンピュータ断層撮影（CT）、光学顕微鏡（OM）を使用して、選択的レーザー溶融AlSi10Mg部品に対する再溶融戦略の影響を研究しました。

上面粗さRa値は、同方向および反対方向の再溶融でそれぞれ20.67μmから11.67μmおよび10.87μmに改善されましたが、側面粗さはマイナスの傾向を示しました。再溶融は、その方向と気孔率の分布に応じて、一般的に気孔率も低下させます。HanとJiaoは、レーザー選択溶融と組み合わせたプラスの効果も実証しました。 レーザー表面再溶融（LSR） 自動車や航空宇宙分野でカスタマイズされたアルミニウム部品を製造するためのプロセス。この方法により、レーザー選択溶融AlSi10Mg-de生成Ra値が19.3μmから0.93μmに向上しました。微細構造を改良することで、微小硬度が19.5％増加しました。上面粗さRa値は、同じ方向の再溶融と反対方向の再溶融でそれぞれ20.67μmから11.67μmと10.87μmに向上しましたが、側面粗さはマイナスの傾向を示しました。再溶融により、その方向と多孔度の分布に応じて、通常、多孔度も減少します。

要約すると、プロセスパラメータの表面粗さに対する相乗効果は非常に重要であり、これらのパラメータの影響は適用レベルによって大きく異なります。最終的には、結果は主に粉末エネルギーの相互作用と粉末によって吸収されるエネルギーに起因します。すべてのプロセスパラメータの変化を考慮すると、最終的な表面粗さは、表面傾斜、粉末サイズ、層厚、充填間隔などの幾何学的プロセスパラメータ、および電力やスキャン速度などのプロセスパラメータの相互作用によって大きく影響されます。レーザー成形部品の複雑な形状のため、後処理の表面処理が困難な場合があるため、プロセスパラメータとその相互作用を最適化することで、正味部品の許容可能な表面粗さを得ることが非常に重要です。

3 結論

重要な分野として 3D印刷技術レーザー成形技術には、レーザー成形部品の冶金品質と外部粗さの決定的な要因となるプロセスパラメータがあります。この記事では、金属レーザー成形プロセスにおける一般的な欠陥と主なプロセスパラメータの関係をまとめ、部品の外部粗さとプロセスパラメータの関係をまとめ、業界関係者が部品の欠陥の原因を解明するための確実な解決策を提供します。