レシピ別の材料: 3D プリンティングの柔軟性と材料の多様性を高めるパウダー キット

2022 年 7 月 25 日

マルチナ・オーレ著、フラウンホーファー協会

粉末ベースのレーザービーム溶解 (LPPF) はおそらく最もよく知られた AM プロセスであり、産業用途に大きな可能性を秘めています。 しかし、このプロセスで使用できる材料の範囲が限られていることをどうやって回避し、市場の可能性をさらに拡大できるでしょうか? この疑問は、AiF が資金提供した「LPBF 粉末キット」プロジェクトにおいて、アーヘン工科大学の IWM とフラウンホーファー IFAM によって取り上げられました。 その結果、金属粉末混合物の個別かつ堅牢な処理のための持続可能なソリューションが開発されました。これにより、ユーザーは、少数の金属粉末を選択するだけで望ましい材料特性をカバーし、合金を柔軟に調整できるようになります。

3D プリントにより、コンポーネントの構築と製造において最大限の自由な設計が可能になります。 これらの利点により、3D プリンティング技術は自動車や航空宇宙などの技術分野で確立されるようになりました。 ただし、さまざまな応用分野では、可能な限り最良の設計形状だけでなく、最適化された材料特性も必要です。 これには、適切に適合した材料が必要です。 ただし、積層造形用の材料の研究はまだ初期段階にあります。 これまでのところ、装置メーカーによってプロセスの認定を受けた材料は、業界でさまざまな積層造形プロセスを確立するために主に加工されてきました。 この範囲の材料はかなり狭く、多様性の点で、主に溶融冶金によって製造される従来の材料と比較することはできません。 従来のサブトラクティブ製造プロセスでは、特定の用途ごとに数百種類の異なる鋼、アルミニウム合金、耐摩耗性コバルトクロム合金などが使用されます。 3D プリンティングでは、すべての金属材料の選択肢が 30 未満の材料に限定されているため、すべての要件をカバーできるわけではありません。

材料の範囲は、例えば、炭素、クロム、ニッケル、モリブデン、炭化チタンを含むまたは含まない鉄基粉末で構成される「LPBF 粉末キット」を使用して特に拡張できます。 頻繁に必要となる材料特性には、耐食性、強度、硬度、熱伝導率などがあります。 多くの合金鋼は、炭素、クロム、ニッケルなどの同じ元素で構成されていますが、それぞれの割合が異なります。 開発されたプロセスには、材料の特定の要件プロファイルに基づく合金組成の選択、熱力学シミュレーション手法を使用した粉末組成の決定、および適合した混合および均質化プロセスを使用した粉末の調製が含まれます。 次に、最適なプロセスパラメータが決定され、材料は微細構造の特性評価と機械的特性の試験によって認定されます。 粉末が混合されると、その後のレーザービーム溶解プロセスによって合金が作成されます。 レーザーのエネルギーにより金属粉末粒子が溶解し、目的の合金が作成されます。 プロセスの最後には、カスタマイズされた材料特性を備えた完成したコンポーネントが完成します。

プロジェクト内の最初の具体的な用途は、「LPBF 粉末キット」で合金化することにより、特別に調整された特性プロファイルに合わせてカスタマイズされた耐食性ステンレス鋼を製造することでした。 開発作業中に、良好な耐食性合金の形成に影響を与える要因が特定され、用途指向の方法で合金の品質がテストされました。 その結果、LPBF プロセスで合金化された耐食工具および二相鋼は、それぞれのベース粉末よりも耐久性が高く、所望の目標特性を達成していることが示されました。 別の利点は、適合したレーザーパラメータによって微細構造を調整できることによってもたらされます。 この例としては、工具鋼の構造内の炭化物のサイズの違いが挙げられます。 用途に応じて、さまざまなサイズが必要になります。 開発された粉末構築キットを使用すると、これらを効率的に変化させ、均質なコンポーネントに加工することができます。 このサブプロジェクトの結果は、ご要望に応じて公開できます。