Construction of electron beam 3D printing metallic materials

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18H03834
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 千葉 晶彦 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (00197617)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小泉 雄一郎 大阪大学, 工学研究科, 教授 (10322174) ; 山中 謙太 東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (30727061) ; 青柳 健大 東北大学, 金属材料研究所, 助教 (90636044)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 電子ビーム積層造形 / ニッケル超合金 / メルトプール / 凝固

Outline of Annual Research Achievements

EBMを新材料に適用するには膨大な時間とコストが必要となるという問題が存在する。また材料毎に造形性が異なる原因に関する研究がこれまで十分に行われていない。そのため本研究では、材料の各種物性と造形性の関係性を明らかにするため、物性・冶金学データが充実しているNi-Alの2元系合金をモデルケースとし、造形物の表面形状や組織、溶融領域について実験およびシミュレーションにより、造形条件の最適化に必要な要素を調査した。
光学顕微鏡による断面観察では、電子ビームによってメルトプールが観察された。図2に観察結果およびシミュレーション結果の例を示す。全組成においてビームパワーが増加すると、メルトプールの深さおよび幅が大きくなった。
表面形状観察では、出力が小さく走査速度が大きい条件ほどビーム痕の観察が困難であり、一方で出力が大きく走査速度が小さい条件ほどビーム痕がはっきりと観察された。電子ビームのスタート部分は凸、ゴール部分は凹となることが確認された。また組成に応じて、表面形状が変化しNiでは不均一な表面形状となった条件が多くなったが、Alの含有量が増加するにつれ均一な表面形状が得られる条件が多くなった。シミュレーションの結果より、これらは表面張力の温度依存性及び粘性の影響によるものと考えられる。特に表面張力は温度によって変化し、この表面張力の違いによってマランゴニ対流が発生するため、表面は温度の高いほうから温度の低い方へ引っ張られることによって表面にくぼみが生じたと考えられる。Ni-Al合金では、Al含有量が0~20%の範囲ではAl含有量が増加するにつれ表面張力の温度依存性が小さくなる。したがってAl含有量が増加するにつれ、表面の凹凸は小さくなり、均一な表面形状が得られたと考えられる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当研究グループでは電子ビーム積層造形技術に関して、これまで様々な合金で経験を蓄積しており、造形条件の最適化法について経験を有している。そのため、電子ビーム照射によるメルトプール形成挙動の一般的な挙動をあらかじめ把握できており、シングルビード実験をする場合の最適ビーム条件の最適化が出来ていたため。

Strategy for Future Research Activity

前年度の研究内容を継続して進める。今年度は、最適合金組成（最適Aｌの添加量）での合金粉末を作製して、パウダーベッドに対しる電子ビーム照射実験を行い、粉末の有り無しでの溶融凝固挙動の違いについて明確にする。
粉末に対しシングルビード実験、シミュレーションを行い、より実際の造形プロセスに近い状態でメルトプールの形状や組織及び表面形状の観察、欠陥形成に関する知見を得る予定である。次に粉末を用いて造形実験を行い、表面形状や欠陥の有無、組織観察をし、材料物性とプロセスパラメーター関係を調査する。その後、シングルビード実験と造形実験の関連を調査する。さらに、粉末を用いた造形実験および観察を行う。