金属粉末の粒径は金型の印刷品質に影響しますか?

一、粒子サイズが印刷品質に影響を与える方法: 複数の方法での相乗効果
1. 粉末が均一に広がります: 粉末層の密度は粒子のサイズに基づいています。
金属 3D プリンティングの最初のステップは粉末の分散であり、それがいかに均一であるかが金型の初期品質に直接影響します。小さい (15 μm 未満) 粉末粒子は表面エネルギーが大きいため、互いにくっつく傾向があります。これにより、粉末層に空隙や塊が発生する可能性があります。一方、粒子が大きすぎる（53 μm 以上）場合、粒子はよく流動しますが、層の最小厚さが制限されるため、薄壁構造などの微細な形状を作成することが困難になります。-たとえば、SLM プロセスで粒子サイズが 15 ～ 45 μm の 316L ステンレス鋼粉末を使用すると、粉末層の厚さを 30 ～ 50 μm に保つことができ、粉末層の密度は 99.2% に達することができます。しかし、粒子サイズがこの範囲を超えると、気孔率が大幅に増加します。
粒子サイズの分布の妥当性も同様に重要です。二峰性分布 (粗粒子と微粒子の混合) を使用すると、粉末の充填密度が向上します。細かい粒子が粗い粒子の間の空間を埋めるため、ルーズパッキング密度が 10% ～ 15% 増加します。これにより、金型の内部欠陥が減少します。ある航空会社は、Ti6Al4V 粉末の粒径比 (D50=35 μ m、D90=50 μ m) を改善することにより、タービンブレード金型の密度を 98.5% から 99.7% に向上させ、疲労寿命を 20% 向上させました。
2. プールの安定性: 時間の経過とともに変化する粒子サイズとエネルギー吸収のバランス
溶融池は金属粉末が溶ける主要な部分であり、その安定性は粉末がレーザー/電子ビームのエネルギーをどれだけ吸収するかによって決まります。小さな粒子は比表面積が大きく、熱の吸収速度が速いです。ただし、小さすぎる粉末（<10 μ m) can splash because to thermal stress concentration, which can cause porosity or incomplete fusing flaws. To thoroughly melt coarse particles, you need more energy, and not enough energy can make the layers stick together poorly. For instance, when printing with AlSi10Mg aluminum alloy, powders with a particle size of 20–50 μ m may make a stable melt pool at a laser power of 200W. However, when the particle size is>60μmでは部分溶融欠陥率は15%にまで上昇します。
不均一な粒子サイズ分布は、特定の領域での熱伝導の不平等を引き起こす可能性があり、これが残留応力集中の一因となる可能性があります。ある研究によると、広い粒度分布（10 ～ 100 μm）のインコネル 718 粉末を金型の印刷に利用すると、限られた分布（20 ～ 50 μm）に比べて残留応力が 30% 増加することがわかりました。これにより、反り変形の危険性が非常に高くなります。
3. 表面品質と精度: 粗さに対する粒子サイズの直接制御
金型の表面粗さは粉末粒子のサイズに直接比例するため、印刷がどの程度うまく進んでいるかを知る良い方法です。粒子が小さいほど、表面は滑らかになります。ただし、粉が細かすぎると流れが悪くなり、粉の広がりが不均一になり、表面が荒れてしまうことがあります。例えば、D50が25μmの316L粉末印刷用モールドを使用すると、表面粗さRaを8μm以内に抑えることができます。ただし、D50 が 15 μm の粉末を使用すると、粒子が互いにくっつくため、Ra 値は 15 μm を超えます。
複雑な構造の金型 (コンフォーマル冷却チャネルなど) の粒子のサイズを選択するときは、精度と使いやすさの間で妥協点を見つける必要があります。ある自動車用金型製造会社では、粒径30～60μmのマルテンサイト系時効鋼粉末を利用することで、最小口径0.5mmの精密な形状を作製することができた。また、水路内壁の粗さRaが10μm以下であることも確認した。
2、一般的なプロセスの粒子サイズの適応: SLM と EBM の異なるニーズ
1. SLMプロセス：小さな粒子サイズと高精度の組み合わせ
SLM 技術はエネルギー源としてレーザーを使用し、集中スポットの直径は通常 50 ～ 100 μm です。したがって、スポットのサイズに一致する細粒粉末 (15 ～ 53 μm) を選択する必要があります。-微粒子はレーザー エネルギーをすぐに吸収し、均質な溶融プールを作成しますが、酸化物混入を避けるために酸素の量は 150 ppm 未満に保つ必要があります。たとえば、チタン合金の整形外科用インプラントの型を作成する場合、粒径 20～45 μm、酸素レベル 80 ppm の TC4 粉末は、開口公差 ± 0.02 mm、表面粗さ Ra < 5 μm という高精度基準を満たすことができます。-。
2. EBM プロセス: 大きな粒子サイズと高効率の間の妥協点を見つけます。
EBM 法は、エネルギー源として電子ビームを使用します。そのエネルギー密度分布特性は、粗大粒子 (53 ～ 150 μ m) の溶解に優れています。粗い粒子は粉末層の数を減らし、印刷を高速化し、残留応力を下げることができます。特定の航空エンジン会社は、EBM を使用してニッケル-基の高温合金-のタービン ディスク金型を製造する際、粒子サイズが 60 ～ 105 μm の粉末を選択します。 700度の予熱温度で反り変形を0.1mm以内に抑え、印刷速度はSLMの3倍です。
3. LENSプロセス：粒子のサイズと粉体供給の安定性のマッチング
LENS (Laser Near Clean Forming) 技術では、同軸粉末供給アプローチが使用されます。安定した粉体供給を行うためには、粒径105～180μmの粗粉を選択する必要があります。粗い粒子は粉末供給チューブの詰まりを防ぐのに役立ちますが、不完全な溶融欠陥を避けるためにスキャン速度 (600 ～ 1000 mm/s) を適切なレベルに設定する必要があります。特定の金型修理会社は、粒子サイズ 120 ～ 150 μm の H13 鋼粉末を使用したダイカスト金型の修理に LENS テクノロジーを採用しました。-レーザー出力 1000W、走査速度 800mm/s の場合、修復層と基板間の金属結合強度は少なくとも 400MPa であることが判明しました。
3、粒子サイズを最適化するための戦略: 準備から後処理までのプロセスを完全に制御-
1. 粉末調製: エアロゾル化と PREP テクノロジーの選択
ガス噴霧化 (GA) は、安価で効果が高いため、現在、粉末を製造する最も一般的な方法です。ただし、サテライトパウダー (大きな粒子の表面に付着した小さな粒子) や中空のパウダーが生成されることが多く、印刷の品質が低下します。プラズマ回転電極噴霧プロセス (PREP) は、高速回転電極で金属を溶解することにより、真球度 98% 以上、サテライト粉末含有量 0.5% 未満の高品質粉末を製造できます。-ただし、設備は高価です。ハイエンドの金型メーカーは、PREP プロセスを使用して製造された 316L 粉末の疲労寿命を 100,000 サイクルから 500,000 サイクルに延長しました。-
2. 粒子サイズによるスクリーニング: 2 段階のスクリーニングと階調の最適化
2 段階のスクリーニング (30 μ m および 53 μ m のふるいなど) を使用して、狭い粒径分布の粉末を得ることができます。これにより、粗い粒子と小さな粒子が混在するときに発生する粉のばらつきを防ぎます。異なる粒径の粉末を組み合わせることで、かさ密度が増加し、グレーディングを向上させることができます。たとえば、10 ～ 20 μm の微粉末 20% と 30 ～ 50 μm の粗粉末 80% を混合すると、かさ密度を 4.2g/cm3 から 4.8g/cm3 に上げることができます。
3. 処理後: 熱間静水圧プレスと表面研磨
熱間静水圧プレス (HIP) は、金型の穴を埋めて密度を 99.9% 以上まで高めることができます。研究によると、HIP 処理を施した Ti6Al4V 金型の疲労強度は、未処理の金型よりも 40% 向上しています。表面を磨くとさらに滑らかになります。たとえば、電解研磨技術により金型の表面粗さを Ra10 μm から Ra0.2 μm まで下げることができます。これはハイエンドの光学金型やその他の用途には十分です。-