成功开发用于增材制造（3D打印机）的创新金属粉末〜实现节能、高印刷适性和高品质〜

由V体育 Yoshimi Watanabe 教授、Takashi Sato 副教授和 Sanshu Chiba 助理教授领导的研究小组成功开发了一种专门用于增材制造（所谓的 3D 打印机）的新型金属粉末，与传统材料相比，能够生产内部缺陷更少、结构精细的高质量成型产品。由于该方法可以应用于迄今为止被认为难以生产的金属类型，因此有望在未来为增材制造技术的发展做出巨大贡献。该研究成果于12月4日在澳大利亚墨尔本举行的第一届亚太增材制造国际会议（APICAM 2017）上公布。这些结果是通过与日本先进产业科学技术研究所 (AIST) 和早稻田大学的联合研究获得的，作为日本科学技术振兴机构 (JST)“构建基于异质结构控制的新指导原则，旨在创造创新结构金属材料。”的一部分。

背景

直接利用数字数据制造产品的三维增材制造技术，即所谓的3D打印机，是一种创新的制造方法，不仅大大减少了制造流程，而且使得制造其他技术难以制造的复杂形状的产品成为可能。然而，对于包括粉末熔化和凝固的增材制造方法，例如粉末床熔融法（图1），存在一些技术问题，例如由于模型产品中形成的内部孔隙以及粗糙且不均匀的内部结构而导致质量和机械性能下降，以及可建模的金属类型的限制。

图1：使用粉末床熔融法的增材制造工艺

研究内容

渡边教授和他的同事将用于细化铸铝结构的异相成核理论应用于增材制造技术。该方法中，将母体金属和异质核颗粒混合，异质核颗粒与母体金属的初晶界面匹配良好，且熔点高于母体金属，在母体金属凝固时充当晶体生长的核，从而获得更精细的结构。
本研究以飞机零部件用Ti-6Al-4V合金为母材，选择TiC颗粒作为异质核心颗粒进行实验。我们开发了一种用于增材制造的新型金属粉末（V体育，图 2 中的右图），该粉末是通过预混合每种粉末而制成的，并使用该粉末通过粉末床熔融法制造增材制造产品。结果，我们确认与仅使用贱金属粉末增材制造的传统产品相比，（1）相对密度有所改善，（2）初级晶粒结构得到细化（图 3）。
从上述结果中，我们发现，通过使用新开发的用于增材制造的金属粉末，可以制造更高质量的增材制造产品，并且还可以减少建模过程中所需的激光输出。这表明，在建模过程中节省能源，或者即使使用低质量的激光器也可以生产出高质量的物体，并有望在未来为增材制造技术的传播和发展做出巨大贡献。

图2 传统粉末和新开发的用于增材制造的金属粉末

图3 成型品的相对密度和光学显微照片

未来发展

该方法的特点是通过根据基体金属选择异质核心颗粒，广泛适用于使用各种金属和合金的增材制造方法。未来，我们希望确认其他有望应用于增材制造技术的金属或合金（例如纯铝）也能达到类似的效果，并优化添加的外来核心颗粒的形状、尺寸和数量，以实现更好的性能。

有关此事的询问

研究相关

　Yoshimi Watanabe，V体育工学研究生院物理工程系教授
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