米国オーバーン大学とEOSは、3Dプリントされたアルミニウム合金部品の構造的完全性に関する詳細な研究を行っています
チームは、AlSi10Mg、Scalmalloy、F357、およびQuesTekとAddalloy®5T（AD1）によって製造されたアルミニウム合金粉末を含む5つの最も人気のあるアルミニウム合金粉末をテストしました。 彼らは、粉末床溶融3D印刷技術を使用して、構造方向が部品の微細構造、材料の多孔性、疲労挙動をどのように変化させるかを研究しました。これらの特性はすべて、高応力の産業用途への材料の適合性に影響を与える要因です。
研究によると、添加剤製造でのアルミニウム合金の使用は、特に航空宇宙産業で大きな注目を集めており、添加剤製造プロセスとの互換性が高い新しい高強度アルミニウム合金がますます登場しています。ただし、これらの新しく開発されたアルミニウム合金が安全性が重要な耐荷重用途で使用される前に、それらの構造的完全性の包括的な研究を実施することが重要です。
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研究したアルミニウム合金の組成
3Dプリント後の5つのアルミニウム合金粉末のSEM画像
アディティブマニュファクチャリングアプリケーションにおけるアルミニウム合金の台頭
金属3D印刷技術が自動車、防衛、ヘルスケアなどの業界で急速に戦略的アプリケーション技術になっているため、新しい材料の革新が出現し続けています。特にアルミニウム合金は、強度対重量比が高く、焼入れ性が高く、耐食性に優れているため、航空宇宙およびモータースポーツ分野のさまざまな用途で最初に選択されます。
プレゼンテーションレーザー
ただし、オーバーン大学の研究者は、アルミニウム合金の3Dプリントは一般的に他の材料よりも難しいと述べています。このタイプの材料の粉末粒子は、軽く、流動性が低く、水分を吸収しやすく、熱伝導率が高く、酸化しやすいです。この一連の問題は、3D印刷アルミニウム合金の欠陥のリスクを高めます-これらの問題あらゆる材料の機械的特性（特に疲労性能）に影響を与えることは有害です。 3D印刷技術のリファレンスは、「アルミニウム合金3D印刷の適用を制限する6つの要因と、国内外での高強度アルミニウム合金の商業的進歩」（リンクhttp://amreference.com/？）でも詳細に解釈されています。 p = 6566）。
部品の構造方向が、欠陥の種類、サイズ、頻度の主な影響要因であることが証明されています。これは、異なる構造方向での部品の熱履歴の変化によるものであるため、構造方向が3Dプリントされたアルミニウム合金部品の疲労挙動にどのように影響するかを評価する必要があります。
Scalmalloyによって製造された空力レーシングウィングレット
構造の完全性に対する建設方向の影響
研究では、AlSi10Mg、Scalmalloy、QuesTek Al、AD1、およびAlF357のサンプルを垂直方向と水平方向に3Dプリントしました。
まず、ビルドの向きは、アルミニウム合金部品の結晶粒構造に大きな影響を与えません。ただし、施工方向は欠陥に大きな影響を与え、水平試験片の体積欠陥レベルは垂直試験片よりもはるかに高くなります。 ScalmalloyとAD1は、垂直方向と水平方向の構造方向の間で欠陥密度の変化が最小です。これは、これら2つの合金の熱伝導率が比較的低いためです。
さまざまなアルミニウム合金の3Dプリント後の熱処理条件
LB-PBFアルミニウム合金の引張特性
これらの合金を比較すると、構造の方向に関係なく、AD1アルミニウム合金は疲労特性の点でAlSi10Mg、QuesTek Al、AlF357よりも優れています。これは、AD1の欠陥密度が低く、引張強度が高く、伸びが大きいためです。水平方向に構築されたScalmalloy部品の疲労性能は、水平方向のAD1部品の疲労性能よりもわずかに低いですが、2つの合金の垂直試験片の疲労寿命は同等です。
この研究は次のように結論付けています。「この研究は全体的な疲労性能を提供しませんが、LB-PBFアルミニウム合金の5つの異なる方向から得られたデータと知識は、ユーザーが適切なタイプのアルミニウム合金を選択するのに役立ちます。
5つの合金の水平構造の気孔率は、垂直構造の気孔率よりも大幅に高くなっています。
終わり
SmarTechによると、アルミニウム合金は金属3D印刷のすべての金属粉末消費量（体積）を占めており、2014年の5.1％から2026年には約11.7％に徐々に増加します。アルミニウム合金はチタン、ニッケル、鋼などの材料に追いついており、次世代の積層造形をサポートする重要な機会になっています。