Metal 3D printing by powder bed fusion applying artificial gravity control

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K14861
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 小池 綾 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (70781417)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 粉末床溶融結合法 / 遠心機 / 重力 / 3Dプリンタ / 相似則 / レーザ

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，高重力が金属3Dプリンティングに与える作用を学術的問いとしたものであり，粉末床溶融結合法における造形物の高密度化，加工精度の向上，新たな材料技術への発展を目指している．金属3Dプリンタにおける現状の課題は，造形物内部に残ってしまう空孔による機械強度の低下や，材料粉末粒径に依存した加工精度の限界である．これに対して高重力環境下で積層を行った場合，造形中のメルトプール内における気泡はより大きな浮力を受けて排出され，凝固時に緻密な金属組織が生成される．また高重力の相似則に則れば，n倍重力下のプロセスは通常重力下で起こる現象の1/n倍サイズになるため，現在の金属積層技術の加工分解能を1/n倍にできる可能性がある．また，遠心機は市販のものでも100万Gの出力を持つものまであるため，こうした技術と組み合わせれば金属3Dプリンタの実用性と応用可能性が飛躍的に向上すると考えられる．
上述の仮説を立証するために，本研究では遠心実験装置と粉末床溶融結合装置を融合した試験機を作製し，遠心加速度をかけた環境下で積層実験を行い，造形物の機械特性がどのように変化するかを評価する．こうした目標に対して1年目の成果として，レーザシステム，粉末リコートシステム，駆動ステージシステムなどを完成させ，通常重力下で積層を行い造形物を評価するまでに至った．それに並行して開発していたターンテーブルシステムも完成し，10Gの重力場を実現するために必要な200rpmよりも高速で回転させても問題ないことを確認した．2年目としてはこれらのシステムを組み合わせて，高重力場における積層プロセスが通常重力下におけるものと比べてどのような差異が生じるかを評価していく．

Current Status of Research Progress

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

Reason

高重力場において粉末床溶融結合法を行うというコンセプトのもと，実験用試作機の完成を急いでいる．レーザ制御システムと粉末リコートシステム，駆動ステージ制御システムがすでに完成しており，これらを組み合わせて，通常重力（1G）において粉末床溶融結合法を実行することに成功した．ただし，積層時に発生したヒュームによってガルバノミラーが故障してしまうトラブルが発生し，修理は2020年4月に完了したものの，同様の問題が生じないよう，パウダー槽の密閉性を高める設計変更を行う必要がある．
遠心力を応用して高重力場を実現するターンテーブルシステムについても，10kg程度の重量物を載せて250rpmで回転させる試験を行い，スムーズに回転できることを確認した．2020年3月時点でここまで進捗し，2020年4月中に各システムを組み合わせて高重力下の溶融試験へ移行する予定であったが，コロナウィルスによるキャンパス閉鎖を受け，研究を進められない状況になっている．

Strategy for Future Research Activity

先述のとおり，現状では通常重力下で積層実験を行える装置とターンテーブルがそれぞれ完成している．あとは各システムをターンテーブル上へ組み込んでいき，動作の安全性を確認したのち，高重力下での積層実験に移行するだけである．
実験としては，2G，3G，5G,10Gの積層結果を取得後，すでに取得している1Gの実験結果と比較し，高重力が積層結果に及ぼす影響を明らかにする予定である．とくに10G程度までの高重力で期待できる，造形物内部の空孔低減，金属組織の緻密化，高強度化といった変化を中心に造形物を評価していく．自身の先行研究において，別の金属3Dプリンティング技術を開発していた際，これらの項目に対する評価手法はすでに確立しているため，評価結果について比較的容易にまとめられると考えられる．
上述の一般的な評価試験を行った後は，より微細な粉末を用いる実験に移行していきたい．通常の粉末床溶融結合法では，数十マイクロメートルの粒径が使用可能な材料の最小サイズとなるが，高重力場の相似則にしたがえば，10G環境下ではその10分の1にあたる数マイクロメートルの粉末を同様に使用できるはずである．ただし，数マイクロメートルの粒径となると空中に容易に舞ってしまい危険であるため，造形部位を部分的に密閉するなど，安全性を確保した装置改良が求められる．
以上が本年度に実行する実験の予定であり，それ以降は更なる高重力化を目指した発展を考えている．

Causes of Carryover

助成金のほとんどを試作機の開発に充てているが，そのほかにも消耗品費として，粉末材料の購入費用などを計上している．粉末は価格が変動することがあり，予定よりも低い価格で購入できたために7274円の残金が生じている．材料については引き続き消費し続けるので，残金はその購入費用に充てる．