不均一表面上でのレーザー粉末床融合積層造形のスパッタリングメカニズム

Scientific Reports volume 12、記事番号: 20384 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

レーザー粉末積層造形 (PBF-LB) は、高精度で高密度の部品を製造できる積層造形方法です。 しかし、内部欠陥がないことを非破壊的に品質保証することは依然として困難です。 内部欠陥を軽減するには、その形成メカニズムを解明し、PBF-LB プロセス条件を改善する必要があります。 そこで我々は縞投影法による表面形態計測と高速度カメラによる熱場計測を組み合わせたその場モニタリングシステムを開発した。 実際のマルチトラック PBF-LB プロセスの不均質表面では、レーザー走査と大気ガス流の間の角度の変化と一致して、造形部品表面の粗さ指数が周期的に変化しました。 高速度カメラによる監視の結果、溶融池は非対称で紡錘形であり、スパッタは主に溶融池の構築部分側から放出されていることが分かりました。 さらに、粉末層の下の構築部品の表面形態が溶融プールの安定性に影響を与えることが判明しました。 その結果、不均一な表面の溶融池とスパッタリングのグラフィック表現が提案されました。 スパッタリングや内部欠陥が発生しないプロセスウィンドウを理論的に推定することは依然として困難ですが、その場モニタリング装置はスパッタリングや内部欠陥の形成を解明するための知識を提供します。

レーザー粉末床融合 (PBF-LB) 積層造形は、航空宇宙産業 1,2 や医療産業 3,4 で広く応用されています。 しかし、PBF-LBプロセスでは、内部の微小欠陥による製品の品質劣化や安定した製品製造の保証に関していくつかの制限があります。 PBF-LB プロセスは、レーザー照射された粉体層をコンパイルすることによって 3D モデルを生成します。 パウダー ベッドは、パウダーの再コーティングによって形成されたパウダー層であり、レーザーを照射してパウダー層を溶かし、3D モデルの 2D 断面を作成します。 PBF-LB では、粉体特性 5、6、粉体再コーティング、および構築プロセス 7、8 に関するさまざまなパラメータの制御が必要です。 より正確には、粉末の再コーティング条件と、粉末の粒度分布や粉末の流動性を含む粉末の特性は、粉末層の厚さの均一性、粉末層の密度、表面粗さなどの粉末層の特性に影響を与えます。 レーザー照射や雰囲気条件などの構築プロセス条件が同じであっても、粉体層の特性が異なる場合、構築された材料に内部欠陥が含まれる可能性があります。 したがって、最終製品の品質を保証するには、レーザースキャン中の溶融プロセスに対する粉体層の特性の影響が必要です9、10、11、12。

粉末床および構築部品表面のその場モニタリングに関する最近の研究は、欠陥形成のメカニズムを解明することに焦点を当てています13、14、15、16、17、18、19、20。 パターン投影 16、視覚センシング、および低コヒーレンス干渉法 18 が、構築部品の表面形態を定量化するために提案されました 21。 しかし、粉体層の表面形態は観察されておらず、十分に報告されていない。

さらに、PBF-LB プロセス中の欠陥形成メカニズムに焦点を当てた研究が行われており、高品質の製品を安定して製造するためのモニタリング技術が開発されています 13,14,15,16,17,18。 キーホールやスパッタリングによる欠陥の形成メカニズムは、高速度カメラ8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34やマイクロシンクロトロンXを用いて研究されている。 - 線コンピュータ断層撮影法 (μSXCT)35,36,37,38,39,40,41。 スパッタリングとメルトプールの挙動に関する観察は、粉末床上の単一レーザートラックについて報告されました42、43、44、45、46、47、48、49、50。 ただし、これらの観察は、PBF-LB プロセス中に実行される実際のレーザー走査を適切に説明するものではありません。 ほとんどの研究は、均一な粉体層表面上の単一のレーザー トラックに対して行われています。 ただし、実際のプロセスではマルチトラックを使用します。 各レーザーは、片側に粉末層表面、もう一方の側に前のレーザー スキャンによって構築された固体部品表面を持つラインをスキャンします。 本研究では、粉末層と固体部品表面の両方を含む表面を不均一表面と呼びます。 著者の知る限り、不均質な表面上でのスパッタリングおよび溶融プールの挙動を系統的に評価した報告はありません。