成功开发3D打印机用不锈钢粉末〜与传统方法相比，可以用更少的能量进行高速打印〜

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东京都产业技术研究中心

演示要点

〇开发出3D打印机用不锈钢粉末，与传统粉末相比能量密度更低，可高速打印（节能高速打印3D打印）
〇与传统粉末相比，由于结构更精细、缺陷更少而提高了强度（高强度3D打印）
〇​旨在广泛应用于社会实验、企业联盟、展览等

摘要

　在金属增材制造（即所谓的金属3D打印）中，人们正在积极使用传统方法中使用的金属进行制造，但为了进一步提高增材制造物体的功能，新材料的开发变得非常重要。V体育渡边义美教授和佐藤隆副教授领导的研究小组与东京都产业技术研究中心的大久保聪博士进行了“含有异质凝固核心颗粒的不锈钢粉末的制备以及使用其增材制造”的联合研究，现已成功开发出一种新的金属粉末，可以比传统不锈钢粉末用更少的能量高速制造。图1显示了传统SUS316L(*1)成形体与本发明产品之间的比较。特别是在高速打印方面，我们实现了相对密度的提高、缺陷的减少、结构的精细化以及强度的提高。

　这个结果是2022年份6月26天

图1传统SUS316L成型体与本发明产品的比较。

研发背景

　近年来，一种被称为AM技术（增材制造）的新加工方法引起了人们的关注。这是一种基于 CAD 创建的数字数据创建 3D 结构的方法，称为增材制造、3D 增材制造、3D 打印机技术等。金属 3D 打印技术在制造需要高强度和耐用性的高端产品时变得越来越重要。尤其是不锈钢，因其优异的耐腐蚀性而在金属中得到广泛应用，其在3D打印技术中的应用备受期待。然而，金属3D打印需要熔化和凝固，这是金属特有的基本过程，因此它的缺点是由于未溶解的粉末和冷却过程中的体积收缩而容易形成内部孔隙。此外，形成类似于铸造组织的粗大异质组织（柱状组织），导致强度降低和机械性能各向异性的潜在问题。

研究内容/结果

这次，渡边教授和他的同事将铸造工程和焊接工程中使用的异质成核理论（异质凝固理论（*2））应用到金属3D打印技术中。该方法的特点是通过添加熔点高于母材且与母材初晶相原子排列一致性好的异质凝固核心颗粒进行3D打印。当将贱金属粉末和异质凝固芯颗粒混合并使用混合粉末进行3D打印时，凝固发生均匀，抑制内部缺陷的出现并产生高致密的物体。图2显示了通过阿基米德方法测量的使用传统SUS316L和本发明的含有异质凝结核心颗粒的产品通过3D打印创建的材料的相对密度。这里，横轴是用建模所需的能量密度绘制的。可以看出，即使能量密度降低，相对密度也降低不了多少。这样，通过使用本发明的产品，可以制造具有小能量密度的物体。该图还显示了金属结构，可以看出本发明的产品比传统的SUS316L更精细。

图2能量密度对常规SUS316L成型体和本发明产品的相对密度的影响。还显示了在能量密度 794 J/mm3 条件下建模的组织。

　

　图3显示了不同扫描速度下3D打印的SUS316L的相对密度。该图还显示了使用 X 射线 CT (*3) 对以 600 毫米/秒的扫描速度打印的样品进行缺陷评估。在使用SUS316L粉末的传统3D打印中，提高扫描速度或打印速度会降低相对密度并降低适印性。另一方面，当使用本发明的粉末时，即使在高速印刷期间也不会发生太大的密度损失。这样，本发明使高速建模成为可能。

图3 以不同扫描速度打印的3D打印SUS316L的相对密度。还包括使用 X 射线 CT 对以 600 毫米/秒的扫描速度打印的样品进行缺陷评估。

　

　当我们研究拉伸强度时，以200毫米/秒的扫描速度打印时，传统SUS316L粉末的拉伸强度为576MPa，而本发明产品的拉伸强度为599MPa。当以600毫米/秒的扫描速度在Pa上成型时，常规SUS316L粉末的强度为551MPa，而本发明产品的强度为605MPa，显示出强度的提高。另外，对维氏硬度的研究表明，虽然当扫描速度增加时，使用常规SUS316L粉末制造的物体的硬度趋于降低，但是使用本发明产品制造的物体的硬度并不太大依赖于扫描速度。这样，本发明的产品可以说是一种有效的技术，尤其是在进行高速建模时。

　图4为V体育奖章照片，该奖章采用SUS316L不锈钢粉末成型，即为本发明的产品。

图4 V体育奖章采用开发的SUS316L不锈钢粉末制成。

社会意义

　SUS316L比普通不锈钢具有更高的耐腐蚀性，也是一种生物材料，用途包括骨水泥材料、脊髓固定装置、人工关节、股骨头和导丝等。还表明，本发明产品表现出与在盐水中使用粉末的传统成型体相当的耐腐蚀性，使得其可以应用于医疗领域。

未来展望

　该方法的特点是根据母材选择异质凝固核心颗粒，广泛适用于各种金属和合金的3D打印。未来，我们还将研究其他有望应用于3D打印技术的金属和合金，例如其他不锈钢和合金。我们还希望优化所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。

术语表

(*1) SUS316L不锈钢化学成分为Fe-(17-19)质量%Cr-(13-15)质量%Ni-(225-3)质量%Mo的不锈钢。这种合金具有特别好的机械性能、耐腐蚀性和可焊性，使其成为化工设备、热交换器、海洋结构物等使用的重要材料，也被称为3D打印机的材料。

(*2)异质凝固核(hetero-coagulation nuclei)在凝固过程中，需要一个触发器才能使液体变成固体，如果液体中存在细小的固体颗粒，就会以它们为支架发生凝固。该颗粒被称为异质凝结核心(heterogeneous core)颗粒。在本发明中，我们利用原子级晶体学检验了这种异质凝固性能的优劣，并发现SrO适用于SUS316L。

(*3) X射线CTCT是计算机断层扫描的缩写，也称为计算机断层扫描。一种通过在将载物台旋转 360 度的同时发射 X 射线并用探测器收集图像来构建三维图像来对材料进行非破坏性评估的方法。

论文信息

论文标题：激光粉末床熔合过程中氧化锶异质成核位点颗粒对不锈钢的晶粒细化
作者姓名：Yoshimi Watanabe、Tomoki Yuasa、Hisashi Sato、Satoshi Okubo 和 Kengo Fujimaki
出版杂志名称：Journal of Materials Process Technology
发布日期：2022 年 6 月 26 日在线发布
DOI：https://doiorg/101016/jjmatprotec2022117700。
网址：

专利信息

发明名称：层压制造材料以及使用该材料制造层压制造体的方法
发明人：Yoshimi Watanabe、Takashi Sato、Tomoaki Yuasa、Satoshi Okubo
申请人：V体育官方网站、地方独立行政法人东京都产业技术研究中心
申请号：专利申请2021-060497
申请日期：2021 年 3 月 31 日

联系信息

研究相关

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电话：052-735-5624
电子邮件： yoshimi[at]nitechacjp

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