アルミニウムの積層造形プロセスにはどのようなものがあるか？

低密度、高い比強度と比剛性、優れた延性、卓越した電気伝導性および熱伝導性、そして優れた耐食性を備えたアルミニウム合金は、航空宇宙、輸送、船舶分野において、軽量構造材料として広く採用されています。製品開発サイクルが短縮される中、従来の溶解、鋳造、鍛造では、複雑で高精度な部品に対する需要に応えることがますます困難になっています。 製造は効率的であるとともに、設計変更に迅速に対応し、複雑な形状にも柔軟に適応できなければなりません。.

積層造形は、物理的な部品を層ごとに積み上げて製造する技術です。航空宇宙、生物医学、鉄道輸送の各分野において、この技術は、単品や小ロットの迅速な生産、設計の自由度の向上、複雑な形状のカスタマイズ、市場投入までの期間の短縮を可能にするとともに、従来の製造方法における規模面の制約を克服しています。.

アルミニウムの積層造形プロセスは、主に動作原理と熱源によって分類されます。具体的には、レーザー、電子ビーム、アーク、超音波、および摩擦撹拌積層造形などがあります。それぞれに独自のプロセス特性があります。.

アルミニウム合金のレーザー積層造形

レーザー積層造形は、レーザーを熱源としており、高い成形精度、比較的少ない内部欠陥、および優れた機械的特性を備えています。通常、アルミニウム合金粉末が使用されます。粉末粒子間の不規則な隙間により部品の密度が低下する可能性がある一方、ほとんどのアルミニウム合金はレーザー反射率が高いため、エネルギー効率が低下します。 そのため、この方法は主に鋳造用アルミニウム合金や、溶接性が良好な合金に用いられる。.

主な2つの方式として、金属粉末の供給を同期させたレーザー溶融積層法と、レーザー粉末床溶融法がある。前者は粉末を連続的に供給し、後者は粉末床内で層ごとに精密に溶融を行い、複雑な構造体を形成する。.

Al-Si合金は、優れた鋳造性および熱間成形性を有しており、広く研究されている。 西安交通大学の研究者らは、AlSi10Mgの選択的レーザー溶融（SLM）において、レーザー出力、走査速度、およびハッチ間隔を最適化し、エネルギー投入量と密度の関係を記述するエネルギー密度モデルを提案した。4.0～6.0 J/mm², 密度は98%を超えた。中国科学院金属研究所は、密度99.63%で良好な機械的特性を有するAlSi10Mg試験片を製造し、造形プレートに平行に配向した材料に対する熱処理を比較した。 堆積直後の水平引張強度は478 MPa、伸びは約8%、平均硬度は約122 HVであった。130°Cで4時間時効処理を行った後、溶融プールは完全な網目状のシリコン構造を維持していた。 塑性率は約11.9%まで上昇し、高い強度は維持された。また、平均硬度は133 HVまで上昇し、積層直後の値より約9%高くなった。.

高強度の2xxx系および7xxx系アルミニウム合金のレーザー加工は、依然として困難な課題となっている。 研究者たちは、パラメータの最適化、ナノ粒子核形成剤の導入、組成の調整、および後処理を通じて、内部欠陥の低減と機械的特性の向上を図っている。シリコン含有量が異なる7075粉末を用いたレーザー粉末床溶融実験では、シリコンによる結晶粒微細化により、微小亀裂が大幅に低減された。.

アルミニウム合金の電子ビーム積層造形

電子ビーム積層造形は、原料によって、電子ビーム粉末床溶融法と電子ビームワイヤ供給式積層造形に分類される。.

電子ビーム粉末床溶融法は、真空中で電子ビームを熱源として用いる。高速走査により金属粉末を層ごとに加熱・溶融させ、部品を形成する。 ワイヤ供給式電子ビーム積層造形では、高エネルギービームを用いて同期して供給されるワイヤを溶融させ、CADで定義された経路に沿って層ごとに堆積させ、緻密な部品が形成されるまでこの工程を繰り返します。 電子ビームの吸収率はレーザービームの2倍以上であるため、この技術は高強度アルミニウム合金の製造において大きな可能性を秘めています。.

研究は依然として限定的であり、主にワイヤ送給式電子ビーム加工プロセスに焦点を当てている。NASAラングレー研究センターは、2219アルミニウム合金の加工ウィンドウ、および移動速度、ワイヤ送給速度、ビーム出力が微細組織や機械的特性に及ぼす影響について調査を行った。 ロッキード・マーティン・スペース・システムズのブライス氏は、電子ビーム指向性エネルギー堆積法を用いて2139アルミニウム試料を製造し、マグネシウムの蒸発が析出および機械的性能に与える影響を評価した。堆積中にマグネシウムの損失は65%に達した。 清華大学の研究者らは、2024アルミニウム合金の電子ビーム粉末床加工について研究を行った。ビーム電流と走査速度は、相対密度および微細組織に著しい影響を及ぼした。 α-Alマトリックス内の粒界に沿って、銅、マンガン、鉄を含む析出物が形成された。適切なパラメータを設定することで、最大314 MPaの引張強度と6%の伸びが得られた。.

アルミニウム合金のアーク積層造形

アーク積層造形は、アーク熱源と連動したワイヤ送給により、部品を層ごとに積層して形成する。材料利用率が高く、設備コストが比較的低く、造形領域が広いため、大型で複雑な構造物の製造に適している。しかし、溶接熱入力が大きく、表面品質や精度が比較的低いため、通常は相当な後処理が必要となる。 精度と表面品質を向上させるために熱入力を低減することは、主要な研究目標の一つである。.

6xxx系および7xxx系合金に関する研究は比較的限られている。ガスメタルアーク溶接およびガスタンタルムアーク溶接により、4047、5356、2024、および7075合金の溶着に成功した。これらの試験片は、従来の方法で製造された試験片よりも高い引張強度を示し、結晶粒もより微細であった。.

また、コールドメタルトランスファー法により、微細な結晶粒、気孔が少なく、機械的特性が向上した2319、5087、および5183アルミニウム合金の試験片も製造された。 5336アルミニウム合金の冷間金属転写堆積物では、等軸晶や柱状結晶組織はほとんど観察されず、入熱量が増えるにつれて結晶粒径は減少した。 入熱量は、形状、微細組織、欠陥、および機械的・化学的特性を決定づける。多層堆積中の不均一な加熱および冷却、特に高入熱量の場合、熱の蓄積、粗大結晶粒、残留応力、および歪みを引き起こす可能性がある。加工を成功させるには、電流、電圧、ワイヤ送り速度、移動速度、およびその他の変数を制御する必要がある。.

アルミニウム合金の超音波積層造形

超音波積層造形では、高出力の超音波エネルギーが用いられます。アルミニウム合金箔の層間の振動と摩擦によって熱が発生し、界面での原子拡散が促進され、固相冶金結合が形成されます。.

日本の東北大学の研究者らは、6061アルミニウム合金の超音波積層造形における界面の微細組織と分布について研究を行った。界面は微細組織に大きな影響を及ぼしており、再結晶の駆動力によって界面領域で微細な相変化が生じ、界面に気孔が形成されることが明らかになった。.

低温での加工により、合金元素の蒸発を防ぎ、接合部の特性を維持できるため、このプロセスは特にアルミニウムに適している。先端機器の輸出規制や国内での研究が限定的であることから、大きな研究の余地が残されている。 材料界面における原子拡散に関する完全な理論モデルはまだ確立されておらず、界面での塑性変形と摩擦発熱を記述する統一的な枠組みも存在しない。精度、効率、および実用化のためには、さらなる開発が重要である。.

アルミニウム合金の摩擦撹拌積層造形

摩擦撹拌積層造形は、摩擦撹拌溶接から発展した技術である。高速で回転する工具がアルミニウム板に挿入され、所定の方向に沿って移動する。摩擦熱によって材料が可塑化・軟化すると、材料は工具の後方に流れ出し、空洞を埋めながら1層の積層を形成する。その後、同じ経路に沿って追加の材料を積み重ね、加工していく。 出典によると、これにより得られる機械的特性は鍛造品に匹敵するとのことですが、この文の一部が不完全です。.

西北工業大学の研究者らは、固定ショルダー式摩擦撹拌積層造形技術を導入し、高強度の7075-Oアルミニウム合金部品の製造に成功した。彼らは積層中の金属流動挙動を調査し、積層方向に沿って微細組織および機械的特性に著しい変化が見られることを確認した。 従来の回転ショルダー式摩擦撹拌技術と比較して、この固定ショルダー方式では、溶接中にピンが高速で回転する一方でショルダーは固定されたままであるため、ショルダー影響域が排除され、ニアネットシェイプ製造が可能となる。.

高強度2024アルミニウムの摩擦撹拌積層造形により、再結晶した微細な等軸結晶粒組織が得られた。結晶粒径は、積層部の下部から上部に向かって小さくなった。 第二相は再溶解し、その総含有量は母材に比べて著しく低かったが、下部から上部にかけて増加した。溶融および凝固を回避することで内部欠陥は大幅に低減されるものの、不適切なプロセスパラメータにより、依然として界面欠陥が生じる可能性がある。.

北京理工大学の研究者らは、2024-Oアルミニウムにおける摩擦撹拌積層造形（FSIAM）の成形メカニズムを解析した。彼らは、機械的特性における方向性の違いとその原因に焦点を当て、欠陥のない多層・多パス積層に成功した。.

開発動向

アルミニウムの積層造形は、複雑な精密成形や軽量設計を可能にするため、軍事・民生分野において大きな可能性を秘めています。主な研究方向としては、新プロセスの開発や、プロセス・微細組織・物性の関係に関するより詳細な研究が挙げられます。 研究においては、特に大型で複雑な部品において、応力の発生メカニズムを解明し、残留応力の大きさと分布を制御することが求められている。また、微細スケールの溶融池における物質移動、非平衡凝固、冷却、物理冶金、相変態を解明し、微細組織を精密に制御できるようにする必要がある。 実験と数値シミュレーションを組み合わせることで、温度分布を予測し、熱影響部を管理することが可能となる。積層造形と切削加工を組み合わせたハイブリッド装置は、成形精度を向上させ、精密な仕上げを実現できる。プロセスおよび装置の改良により、気孔を排除し、密度を高め、全体的な機械的特性を向上させることができ、この技術はさらなる精度、効率、機能性へと進化していく。.