研究者たちは、金属の積層造形 (3D プリンティング) をまだ科学として完全に確立していません。プロセス中に金属内で何が起こるかについての理解にギャップがあるため、結果に一貫性がありません。しかし、新たなブレークスルーにより、金属 3D プリンティングに関して前例のないレベルの熟練が得られる可能性があります。

国立標準技術研究所（NIST）、スウェーデン王立工科大学KTH、その他の機関の研究者らは、2つの異なる粒子加速器施設を使用して、3Dプリント中に鉄鋼が溶融して固化する内部構造を観察した。Acta Materialsiで発表されたこの研究結果は 、  3D プリンティングの専門家向けの計算ツールを解放し、印刷部品の特性を予測および制御する能力を向上させ、大規模製造における技術の一貫性と実現可能性を向上させる可能性があります。  

金属片を印刷するための一般的なアプローチには、基本的に粉末金属のプールをレーザーで層ごとに溶接し、目的の形状にすることが含まれます。金属合金で印刷する最初のステップでは、材料が急速に加熱および冷却され、その原子 (さまざまな元素が散らばっている場合もあります) が整然とした結晶構造に詰め込まれます。結晶は、印刷部品の靭性や耐食性などの特性を決定します。さまざまな結晶構造が出現する可能性があり、それぞれに長所と短所があります。

「基本的に、印刷プロセスの初期段階で微細構造を制御できれば、望ましい結晶を得ることができ、最終的には積層造形部品の性能を決定することができます」と研究共著者であるNISTの物理学者ファン・チャン氏は述べた。

印刷プロセスは、従来の製造方法よりも材料の無駄が少なく、より複雑な形状を製造することができますが、研究者は、金属を他の結晶ではなく特定の種類の結晶に誘導する方法を理解するのに苦労していました。 

この知識の欠如により、複雑な形状の部品が結晶構造のせいで早期に割れてしまうなど、望ましい結果とは言えません。 

「一般的に製造されている数千の合金のうち、積層造形を使用して製造できる合金はほんの一握りです」と Zhang 氏は言います。

科学者にとっての課題の 1 つは、金属 3D プリンティング中の凝固が瞬く間に起こることです。 

高速現象を捉えるために、この新しい研究の著者らは、アルゴンヌ国立研究所の高度光子源とポール・シェラー研究所の スイス 光源 にあるシンクロトロンと呼ばれる周期粒子加速器によって生成された強力なX線を利用した。 

研究チームは、レーザー出力と動作設定によって制御できる金属の冷却速度が結晶構造にどのような影響を与えるかを調べようとしました。次に研究者らは、そのデータを、合金の凝固を説明する 80 年代に開発され、広く使用されていた計算モデルの予測と比較しました。 

このモデルは従来の製造プロセスでは信頼されていますが、3D プリンティングの急速な温度変化という独特の状況における適用性については、陪審が意見を述べています。 

「シンクロトロン実験は時間と費用がかかるため、関心のあるすべての条件に対して実験を実行することはできません。しかし、興味深い条件をシミュレートするために使用できるモデルを検証するのに非常に役立ちます」と研究共著者のグレタ氏は述べています。リンドウォール氏は、KTH 王立工科大学の材料科学および工学の准教授です。

著者らはシンクロトロン内で、熱間加工工具鋼の積層造形条件を設定した。熱間加工工具鋼は、名前が示すとおり、高温に耐えることができる工具を製造するために使用される金属の一種である。 

レーザーが金属を液化し、さまざまな結晶が現れると、X 線ビームが十分なエネルギーと速度でサンプルを調べ、一瞬のプロセスの画像を生成しました。チームメンバーは、テストしたい冷却速度をサポートするために 2 つの別々の施設を必要としました。冷却速度の範囲は、毎秒数万ケルビンから 100 万ケルビン以上の範囲でした。 

研究者らが収集したデータは、オーステナイトとデルタフェライトという 2 種類の結晶構造間の押し引きを示しており、後者は印刷部品の亀裂に関連しています。冷却速度が毎秒 150 万ケルビン (華氏 270 万度) を超えると、オーステナイトがライバルを圧倒し始めました。この臨界しきい値は、モデルが予測したものと一致しました。 

「モデルと実験データはよく一致しています。結果を見たとき、私たちは本当に興奮しました」と張氏は語った。 

このモデルは長い間、伝統的な製造における材料設計のための信頼できるツールであり、現在では 3D プリンティング分野でも同様のサポートが提供される可能性があります。 

結果は、このモデルが科学者や技術者に、印刷プロセスの初期の固化ステップでどのような冷却速度を選択すべきかを知らせることができることを示しています。そうすれば、希望する材料内に最適な結晶構造が現れ、金属 3D プリントがサイコロの目のようなものではなくなります。 

「データがあれば、それを使ってモデルを検証できます。そうすることで、産業用途での積層造形の普及を加速させることができます」と Zhang 氏は述べています。