3D プリントを支配するのはどのテクノロジーですか?

積層造形とも呼ばれる 3D プリンティングは、ますます高度な製造の重要な要素になりつつあり、

3D printing, also known as additive manufacturing, is rapidly becoming a crucial component of advanced manufacturing processes. As 3D-printed parts and components are frequently utilized in highly demanding applications, such as automotive engines, rockets, and military equipment, any failure in a single component can have catastrophic consequences.

積層造形としても知られる 3D プリンティングは、急速に高度な製造プロセスの重要なコンポーネントになりつつあります。 3D プリントされた部品やコンポーネントは、自動車のエンジン、ロケット、軍事機器など、要求の厳しい用途で頻繁に利用されるため、単一のコンポーネントに障害が発生すると、壊滅的な結果を招く可能性があります。

To mitigate this risk and pave the way for 3D printing to become the dominant manufacturing method, surpassing traditional techniques like melting metal in casts and machining, continuous optimization of the 3D printing process is paramount.

このリスクを軽減し、鋳造や機械加工での金属の溶解などの従来の技術を超えて 3D プリンティングが主要な製造方法になる道を開くには、3D プリンティング プロセスの継続的な最適化が最も重要です。

Among the various 3D printing techniques, laser powder bed fusion is particularly suited for precision manufacturing. Researchers at the University of Wisconsin-Madison and Argonne National Laboratory have recently employed advanced X-ray imaging to analyze this process meticulously, uncovering promising avenues to drastically reduce defects during manufacturing. Their findings were published in the International Journal of Machine Tools and Manufacture, under the title “Revealing mechanisms of processing defect mitigation in laser powder bed fusion via shaped beams using high-speed X-ray imaging”.

さまざまな 3D プリンティング技術の中でも、レーザー パウダー ベッド フュージョンは特に精密製造に適しています。ウィスコンシン大学マディソン校とアルゴンヌ国立研究所の研究者らは最近、高度な X 線イメージングを利用してこのプロセスを綿密に分析し、製造中の欠陥を大幅に削減する有望な方法を明らかにしました。彼らの研究結果は、「高速 X 線イメージングを使用した成形ビームによるレーザー粉末床融合における加工欠陥軽減のメカニズムの解明」というタイトルで、International Journal of Machine Tools and Manufacture に掲載されました。

The Mechanics of Laser Powder Bed Fusion

レーザー粉末床融合の仕組み

In powder bed 3D printing, a layer of powder containing the material used for additive manufacturing is spread out in a container. A laser then selectively melts/fuses the powder in the zone that will eventually form the 3D-printed item.

パウダーベッド 3D プリンティングでは、積層造形に使用される材料を含む粉末の層が容器内に広げられます。次に、レーザーがゾーン内の粉末を選択的に溶解/融合させ、最終的に 3D プリントアイテムを形成します。

Following this, another layer of powder is deposited on top, and the portions that need to be melted and added to the item are once again targeted by the laser. By repeating this process over time, even highly complex shapes and relatively large items can be produced.

これに続いて、粉末の別の層がその上に堆積され、溶かしてアイテムに追加する必要がある部分が再びレーザーのターゲットとなります。このプロセスを時間をかけて繰り返すことで、非常に複雑な形状や比較的大きな品物でも製造することができます。

You can observe laser powder bed fusion in action in this video, along with examples of items that can be made using this technique.

このビデオでは、レーザー粉末床融合の動作と、この技術を使用して作成できるアイテムの例を観察できます。

This method is not limited to plastics; it can also be used to create items made of metals, including titanium, steel, cobalt-chromium, aluminum, and more.

この方法はプラスチックに限定されません。また、チタン、スチール、コバルトクロム、アルミニウムなどの金属で作られたアイテムの作成にも使用できます。

The advantages of this method lie in its ability to create precise geometry, with tolerances of +/- 0.2mm, which are comparable to metal injection molding, and its efficiency in material usage, as the unused powder can be collected back and reused.

この方法の利点は、金属射出成形に匹敵する +/- 0.2 mm の公差で正確な形状を作成できることと、未使用の粉末を回収して再利用できるため、材料の使用効率が高いことです。

Moreover, by simultaneously using multiple lasers, which is typically found in more advanced 3D printer designs, larger parts can be printed quickly.

さらに、より高度な 3D プリンタ設計で通常見られる複数のレーザーを同時に使用することにより、より大きな部品を迅速に印刷できます。

It's important to note that laser powder bed fusion encompasses several sub-techniques, including:

レーザー粉末床融合には、次のようないくつかのサブ技術が含まれることに注意することが重要です。

Revealing Mechanisms to Prevent 3D Printing Failures

3Dプリントの失敗を防ぐ仕組みを明らかに

In theory, additive manufacturing of metal parts should yield results equivalent to those obtained from traditional casted parts. However, in practice, issues can arise, such as pores, or “voids,” on the surfaces, and large spatters.

理論的には、金属部品の積層造形では、従来の鋳造部品から得られるものと同等の結果が得られるはずです。ただし、実際には、表面の細孔または「ボイド」や大きなスパッタなどの問題が発生する可能性があります。

Such structural imperfections can lead to the parts breaking, which is unacceptable in critical applications.

このような構造的欠陥は部品の破損につながる可能性があり、重要な用途では容認できません。

“Because we understood the underlying mechanisms, we could more quickly identify the right processing conditions to produce high-quality parts using the ring-shaped beam.”

「基礎的なメカニズムを理解したので、リング状ビームを使用して高品質の部品を製造するための適切な加工条件をより迅速に特定できるようになりました。」

Lianyi Chen – Associate professor of mechanical engineering at UW-Madison

Lianyi Chen – マディソン大学機械工学准教授

The Ring-Shaped Laser Beam

リング状レーザー光線

The first modification made by the researchers to their 3D printing setup was to replace the standard laser beam with a ring-shaped laser beam, which was provided by nLight, a laser company specializing in semiconductor lasers.

研究者らが 3D プリンティングのセットアップに行った最初の変更は、標準のレーザー ビームを、半導体レーザーを専門とするレーザー会社 nLight が提供するリング状のレーザー ビームに置き換えることでした。

This distinct shape facilitates better circulation of the melted metal within the melt pool overall and results in smaller waves on the surface of the freshly created item, reducing the size and distance traveled by the spatters.

この独特の形状により、溶融プール全体内の溶融金属の循環が促進され、その結果、新たに作成された製品の表面の波が小さくなり、スパッタのサイズと移動距離が減少します。

Matching Model And Observations

モデルと観察のマッチング

The researchers went on to verify these observations using the high-energy synchrotron X-ray facility at Argonne National Laboratory. They employed this facility to capture high-speed snapshots of the 3D printing process, which allowed them to check whether their mathematical model accurately simulated reality.

研究者らはさらに、アルゴンヌ国立研究所の高エネルギーシンクロトロンX線施設を使用してこれらの観察を検証した。彼らはこの機能を使用して 3D プリント プロセスの高速スナップショットをキャプチャし、数学的モデルが現実を正確にシミュレートしているかどうかを確認できるようになりました。

3D Printing At A Quicker Pace

より速いペースでの 3D プリント

Another achievement was the ability of the ring-shaped beam to penetrate deeper into the powder without causing more instability. This led to thicker layers without compromising the strength of the finished product.

もう 1 つの成果は、不安定性をさらに引き起こすことなく、リング状のビームが粉末の奥深くまで侵入できることです。これにより、最終製品の強度を損なうことなく層を厚くすることができました。

As the production ultimately requires fewer layers, this speeds up manufacturing and increases the overall productivity of the machine.

最終的に生産に必要な層が少なくなるため、製造速度が向上し、機械全体の生産性が向上します。

An Example of Powder Bed Fusion in Practice

粉末床溶融の実際の例

This line of work is far from being merely an academic demonstration; it has the potential to directly improve powder bed fusion machinery already used in the industry.

この一連の作業は、単なる学術的なデモンストレーションではありません。すでに業界で使用されている粉末床溶融装置を直接改善できる可能性があります。

A prime example would be in aeronautics, with the fuel nozzle on General Electric’s GE9X engine, which is used on Boeing 777 aircraft.

代表的な例は航空分野で、ボーイング 777 航空機で使用されているゼネラル・エレクトリック社の GE9X エンジンの燃料ノズルです。

The GE9X is the largest turbo-fan engine produced, and the additively manufactured nozzle is five times more durable than previous versions.

GE9X は生産された最大のターボファン エンジンで、積層造形されたノズルは以前のバージョンよりも 5 倍耐久性があります。

It's worth noting that such developments are still very recent, with the GE9X design being approved by the FAA in 2020.

このような開発はまだごく最近であり、GE9Xの設計は2020年にFAAによって承認されたことは注目に値します。

Even a higher quality powder bed fusion process, as well as a quicker one, could improve the design further while at the same time reducing its costs.

より高品質の粉末床溶融プロセスであっても、より迅速なプロセスであれば、コストを削減しながら設計をさらに改善できる可能性があります。

The Future of 3D Printing: Advanced Manufacturing Domination

3D プリンティングの未来: 先進的な製造業の支配

We have previously covered how 3D Printing is consolidating into the future of manufacturing.

私たちは以前、3D プリンティングが製造業の未来にどのように統合されているかについて取り上げました。

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これ