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レーザー方式の粉末3Dプリンターでニッケル単結晶の造形に成功

レーザを粉末床に照射して造形している様子と造形後の造形体の外観

国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)と大阪大学大学院工学研究科の研究チームは、照射面強度分布が均一でビーム半径が大きいレーザーをニッケル粉末に照射することで、欠陥が少なく結晶の方向が揃った単結晶の造形に成功した。

従来の単結晶造形が報告されている電子ビーム方式では、装置自体が高価で高真空が必要となり、運転コストも高いため装置の普及率が低いという問題があった。

一方、比較的安価なレーザー方式の装置では照射面の強度分布が正規分布に従うため、固液界面におけるニッケル結晶の成長方向の制御が難しく、得られる結晶は向きの異なる多結晶体となり、結晶粒界が多いことが問題だった。

レーザ照射した板材組織の解析から分かるレーザによる溶融池形状と組織形成の違い

研究チームは、フラットトップレーザーを用いて粉末溶融時に形成する溶融池の形状を平面状に制御することで、従来よりもひずみ導入が抑えられ、結晶の方向が揃ったニッケル単結晶の造形に成功した。凝固時に導入されるひずみが小さいため、凝固割れが抑制され、種結晶不要のため製造工程の簡素化にもつながる。

今回の成果は、他の金属や合金の単結晶の造形にも応用可能だ。単結晶により製造できる部品の範囲が大きく広がり、耐熱材だけでなくさまざまな単結晶材料への応用が期待される。

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