熱安定性と微細構造Smart Fusion

金属PBF-LB/Mにおける一貫した微細構造のための閉ループレーザー制御

2025年3月24日 | 読了時間: 7分 | 著者: トビアス・ノヴォトニー、ナルゲス・ミルザベイギ、ドミニク・クンツ、ウルリッヒ・クラインハンス

金属用レーザー粉末床溶融法（PBF-LB/M）における過熱は、複雑形状や水平オーバーハングの造形性、下面の品質、完成部品の材料特性に影響を与える重大な課題である。過去に我々が実証したように Smart Fusionがサポート構造の必要性を低減できることを実証してきましたが、本稿では熱履歴と微細組織形成への効果を明らかにします。光子技術研究所（LPT）との共同研究において、熱蓄積を誘発する形状で標準的な開ループプロセスとSmart Fusion 比較しました。その結果、Smart Fusion 造形全体を通じて一貫した熱特性を保証することで、微細組織の均一性と硬度をSmart Fusion 判明しました。

過熱とSmart Fusionの基礎

PBF-LB/Mでは、レーザーが各層ごとに部品へ繰り返しエネルギーを供給する。このエネルギーが加工領域から十分に除去されない場合、積層中に熱が蓄積し、最終的に過熱を引き起こす。AMアプリケーションエンジニアは過熱のリスクを十分に認識しており、その影響を軽減するための選択肢を常に用意してきた。

過熱に対処する一般的な方法には以下が含まれます：

待ち時間の追加（例：冷却時間を増やすための最小レイヤー時間またはベクター時間）
ビルドプレートへの熱伝導を向上させるため、より多くのサポート構造を使用する
プロセスのエネルギー入力を低減する（例：レーザー出力を減らすことによる）

しかしながら、待ち時間とサポート量の増加はビルド時間の延長と部品コストの上昇を招き、一方、エネルギー投入量を削減するパラメータは部品密度を損なう可能性がある。別の解決策が必要である。

図1は、過熱しやすい一般的な幾何学的特徴を持ついくつかの代表的なビルドジョブと、Smart Fusion有無における対応する熱シグネチャを示している。

複雑な形状（AlSi10Mgブラケットなど）では、オーバーハングや微細構造が熱流を阻害する箇所で熱が蓄積する。安定した状態を得るには、これらの領域でレーザー出力を低減する必要がある。

露光領域が小さく層間時間が短いビルドジョブ（MS1工具インサートジョブなど）では、層ごとに熱が蓄積する傾向がある。これにより部品表面温度は平衡状態に達するまで上昇し続ける。したがって、ビルド高さ全体にわたってエネルギー入力を段階的に低減する必要がある。

理想的には、エネルギー入力は部品形状とビルドジョブの負荷（すなわち層時間）に応じて動的に調整されるべきである。これは部品内の熱状態を安定に保つ方法で実施する必要がある。

一つの解決策として、ビルドジョブ中の熱シグナルを計測し、取得した測定データに基づいてコントローラーでエネルギー入力を局所的に調節する方法が考えられる。当社の閉ループ制御システム「Smart Fusion」は、光学トモグラフィー（EOSExposure OT）で記録されたグレー値を監視し、材料およびプロセス固有の目標グレー値と比較します。これにより、次の層においてマイクロベクトルレベルでレーザー出力を調整します。

図2Smart Fusion動作原理を示しています。Smart Fusion プロセス外観を観察すると即座に確認できます。

以下の動画は、Smart Fusion 標準的なオープンループプロセスを比較対象として、困難な形状の代表的な層の露光を示す。図3はこの形状と、2つのプロセスの比較スナップショットを示す。

本研究における過熱の影響を示すため、過去の研究でも使用された3つの逆さ円錐からなる試験形状（「熱蓄積デモンストレーター」）を選択した。このデモンストレーターでは、熱的ボトルネックとなる細い連結円筒部により、円錐部に熱が急速に蓄積した。Smart Fusion しないSmart Fusion 部品が露出した後も長時間にわたり、白熱した部品表面が視認されるSmart Fusion となる。

当社の標準プロセスパラメータは過熱に耐性がありますが、これは多くの要素を考慮した最適な妥協点であり、極端な形状や過度に短い層形成時間には理想的ではありません。これらのプロセスパラメータが通常生成するプロセスシグネチャ（平均GV）をSmart Fusion 目標値として使用することで、非常に複雑な部品においても理想的な結果がSmart Fusion

熱履歴とその微細組織への影響

PBF-LB/Mで加工された部品は、溶融プール内での極めて速い冷却速度と、隣接する走査ベクトルおよび後続層が露出した際に既に凝固した材料が周期的に再加熱されるという、独特の熱履歴を経験する。過熱が発生した場合、初期冷却時の変化と、その後高温で保持されることの両方が微細組織の進化に影響を及ぼす。

材料の固化した前層の表面温度は、現在の材料層が冷却できる温度を決定する。これらの温度が鋼のマルテンサイト開始温度（Ms）など相変化が生じるレベルに達すると、製造時の相組成に重大な影響が生じうる。マルテンサイト変態が初期段階で抑制されたり完全には完了しなかったりすると、残留オーステナイトの含有量が増加し、硬度の低下が生じる。

部品の特定領域で高温状態が長時間維持されると、加工中の析出硬化が生じ得る。したがって、積層時間は加工中の析出物形成に決定的な影響を与え、ビルド時の条件によって析出挙動が変化する可能性が高い。局所的な析出は硬度の不均一化を招き、脆性増加の要因となり得る。

高温下では、PBF-LB/Mで形成される典型的な凝固組織（AlSi10Mg中のSi富化ネットワークなど）が粗大化あるいは溶解し始める。これにより、焼成後の強度が大幅に低下する可能性がある（試験では硬度が最大44%低下）。

過度の熱蓄積は、プロセス中に既に固化した材料の焼戻しを引き起こす可能性がある。Ti6Al4V製の複雑形状部品では、従来の針状マルテンサイトではなく、より粗大で板状の焼戻しマルテンサイトが観察された。

後続の層による周期的再加熱は、既に凝固した材料を「焼戻し」することで微細組織にも影響を及ぼす。ビルドの他の部分と比較した最上層の差異は、この効果に起因することが多い。過熱は周期的再加熱の結果に影響を与え得る。なぜなら、焼戻し効果を生じさせるには層間の冷却が必要となる場合があるためである。

全体として、製造工程における熱条件の不均一性は、局所的な組織変化およびそれに伴う機械的特性の変動を引き起こす可能性がある。このような変化は、試験片と実部品を比較した際に予期せぬ特性偏差を生じさせ、解決のために追加の熱処理（例えば溶体化処理）工程を必要とする場合がある。

Smart Fusion EOS MaragingSteel MS1の均質性向上

現在では、一般的なPBF-LB/M材料の代表的な微細組織はよく知られている。例として、図6EOS MaragingSteel （1.2709に類似）の焼結直後微細組織の特徴をいくつか示している。

エッチングにより、明瞭な溶融池境界を持つ魚鱗状の溶融池パターンが明らかとなる。詳細画像ではマルテンサイトラスのクラスターが確認できる。MS1は通常、残留オーステナイトの体積分率が小さい状態でマルテンサイト組織を示す。SEMによる高倍率観察では、細胞状および柱状凝固組織が可視化される。

図7は、Smart Fusion適用した場合と適用しない場合の熱蓄積デモンストレーターの微細構造を比較したものである。

Smart Fusion 場合、試料全体で一貫したエッチング応答が観察される。対照的に、Smart Fusion無効にした試料では、従来の明るいエッチング応答ではなく、熱的ボトルネック領域の上に暗いエッチング領域が確認される。詳細に観察すると、細胞状凝固構造の部分的な分解が認められる。暗色エッチング領域では硬度が著しく高く、最大540HV（通常より100HV以上高い）に達した。これは著しいその場析出が生じていることを示している。

Smart Fusion、再コーティング装置が過熱部品の反り返った縁部に接触するのを防ぐため、本ビルドジョブでは最低露光時間40秒を設定した。Smart Fusion 待機時間なしで部品製造が可能であった。図8は各種設定条件における顕微鏡写真及び硬度プロファイル比較を示す。

顕微鏡写真は、最小積層時間を設定しなくてもフィードバックループが熱条件を効果的に制御し、高密度な部品を製造できることを示している。さらに、積層高さ全体で極めて均一な硬度が達成された。層間の待機時間がなかったことで、後続層による焼戻し処理時に発生する可能性のある析出物の形成が防止されたと考えられる。

結論

PBF-LB/Mプロセス中の過熱は、部品形状や積層時間に応じて微細組織に重大な変化をもたらします。Smart Fusion 、最も困難な条件下でも一貫した熱プロファイルをSmart Fusion 。動的に必要な箇所のエネルギー投入のみを削減することで、MS1およびTi6Al4Vにおいて生産性を損なうことなく、より均質な特性を実現できます。

我々の結果は、Smart Fusion 特に以下の分野に関連性Smart Fusion ことを示している：

熱流が制限された複雑な部品のためのより一貫性のある微細構造
最小層時間を削減または不要とした低積層ジョブ負荷向けのより一貫性のある微細構造
ある程度、製造時の微細組織を保持する熱処理（直接時効処理など）
特注の微細構造と特性の探求

Smart Fusion 材料のSmart Fusion ？当社は様々な材料におけるSmart Fusion について、継続的に広範な試験を実施しています。お気軽にお問い合わせください！

出典および詳細情報：
_{Nahr F、Novotny T、Kunz D、Kleinhans U、Chechik L、Bartels D、シュミット M. レーザーベースの粉末床溶融における高度なプロセス制御 – 複雑な構造物の均一な特性実現への道としてのSmart Fusion 制御？JMRT 2025;34:604-618.https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.12.014。}_{Nahr F、Rasch M、Burkhardt C、Renner J、Baumgärtner B、Hausotte T、他。粉末床溶融における Ti6Al4V 部品の材料特性に対する幾何学的影響。JMMP 2023;7(3):82.https://doi.org/10.3390/jmmp7030082.}_{ヤグムル A、パーッコネン I、マイルズ A.Smart Fusionのヒッチハイカーガイド. 2023.https://3d.eos.info/eguide-smart-fusion}_{Kürnsteiner P, Wilms MB, Weisheit A, Gault B, Jägle EA, Raabe D. 積層造形による高強度ダマスカス鋼. Nature 2020;582(7813):515–9.https://doi.org/10.1038/s41586-020-2409-3.}_{Mohr G、Altenburg SJ、Hilgenberg K. レーザー粉末床溶融法によって加工された 316L ステンレス鋼の最終特性に対する層間時間と積層高さの影響。Addit Manuf 2020;32:101080.https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101080}_{Bartels D、Albert ME、Nahr F、シュミット M. 焼入れ鋼の材料特性に対する体積エネルギー密度および層間時間の影響について。Alloys 2023;2(3):168–83.https://doi.org/10.3390/alloys2030013.}