プラズマを用いた金属積層造形用原料粉末のリサイクル技術の開発

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K03872
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 板垣 宏知 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 研究員 (00793184)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 金属粉体 / 積層造形 / プラズマ処理

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではAM利用や保存により粉末特性が劣化した粉末の特性改善および、それらのプラズマ処理を利用したリサイクルプロセスの確立を目指した研究を実施している。令和４年度は実際にAMに利用された粉末、特にインコネル粉末に着目し、その特性改善条件の探索、およびプラズマ処理の有無が造形環境にどのような影響を及ぼすのか、実際にプラズマ処理粉末を用いたAM試験の実施により実験的に評価した。
評価手法として、材料粉末には耐熱性合金として知られロケット等のエンジン部材にも一部利用されるもしくは利用が期待されるNi基合金のインコネル718、AM装置は産総研所有(開発機)の粉末床溶融型(PBF)の積層造形装置を利用し、装置内に敷かれた粉末床に対しレーザーを照射し平面造形を実施した際に発生する粒子種を質量分析機を用いて検出、プラズマ処理の有無による装置内発生粒子の比較を実施した。本試験を実施するため、まずは既存のAM装置に質量分析機を設置するため、より粒子検出に最適かつ溶融池付近の情報を得るための最適設置位置など装置構成の検討を実施し、発生粒子の取り込み形状の最適化により粒子検出を可能とした。
結果として、これまでにプラズマ処理粉末を利用することで、到達真空度の向上および真空の到達速度向上の他、造形物周囲のスパッタ粒子による粉体床汚染を低減など、AMプロセスの効率化に資する結果が得られていることに加えて、発生する酸素原子量が大きく低減するなど金属酸化に影響する粒子の発生を抑えることが可能であることがわかった。加えて電子顕微鏡による造形物の断面観察の結果、Ni基合金の有害相発現の要因となる酸化アルミの結晶成長を低く抑えることがかのうであることもわかった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

R4年度は試験的に表面正常が劣化したインコネル粉末に対しプラズマ処理を実施し、粉体表面性状の改善効果が得られていることに加え、造形物の電子顕微鏡観察によりプラズマ処理粉末で造形物内の結晶成長への影響を調査し、有害相発現要因の酸化アルミの成長抑制が可能であることを明らかとするなど実際の造形を通したプラズマ処理効果の検証まで実施しており、概ね研究計画通りに順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

R4年度は試験的に表面正常が劣化したインコネル粉末に対しプラズマ処理を実施し、粉体表面性状の改善効果が得られており、実際のAM装置への質医療分析器の設置、実際の造形を通したプラズマ処理効果の検証まで実施し、粉体表面清浄がプロセス雰囲気に与える影響を明らかにしており、概ね研究計画通りに順調に進展している。
R5年度は引き続き最適なプラズマ処理条件の探索を実施すると共に、実際にAM試験を実施することでプラズマ処理により表面性状が変化された粉体が造形物物性に及ぼす影響を調査し、それらの関係を明確にする。
一方で、これまでの取り組みの中で、プラズマ処理条件中、低圧力領域で表面清浄が改善される傾向も示されており、高圧力領域の直流アークプラズマによる粉体処理条件の最適化とAM試験による物性評価と並行して、低圧力領域のプラズマを用いた粉体処理も検討しており、それら方式を用いて粉体表面処理技術の高度化と、それら粉末を用いた積層造形機構の解明をすすめていく。

Causes of Carryover

R4年度の計画において、産総研所内でのAM研究で利用されたNi基合金粉末が入手可能であったことが要因であり、R５年度に、より溶融池に近い箇所での質量分析試験を予定しており、そのための真空装置用消耗品費としての利用を予定している。