機械の研究 2025年11月1日発売 第77巻 第11号

説明

巻頭記事
金属3Dプリントでの結晶成長のフェーズフィールドシミュレーション

金属AMでは、PBFプロセスがもっとも普及している。PBFプロセスでは、造形ステージに金属粉末を敷き、3次元CADデータをもとにした2次元スライスデータに沿って熱源を選択的に照射し、金属粉末を溶融・凝固させる。その後、造形ステージを降下させ、再び粉末床を作成して熱源を選択的に照射するという一連のプロセスを繰り返すことで、3次元造形体が造形される。金属のPBFでは、熱源として主に電子ビーム（EB）またはレーザービーム（LB）が用いられる。EBを用いたPBFは、ISOでは「PBF-EB」、一般的には「電子ビーム積層造形」または「Electron Beam Melting（EBM）」とよばれ、LBを用いたPBFは「PBF-LB」または「レーザー積層造形」や「Selective Laser Melting（SLM）」などとよばれる。最近では、単に3D部材を造形するだけでなく、材料の微細組織制御のための研究が盛んにおこなわれている。

PBFプロセスでは、熱源照射によって局所的な溶融・凝固が生じる。この急冷凝固を数値熱流体力学（CFD）によって再現し、温度分布の時間的変化から冷却速度を評価した。その結果、溶融池内の各領域で\(10^6 \,\mathrm{K/s}\)程度の高い冷却速度条件下で組織形成が起こっていることが推定された。このような急冷かつ超大な温度勾配条件下では、優先成長方位である[100]方位が熱流方向と平行な方向に配向したデンドライト成長が起こり、その結晶成長方向は熱源スキャンストラテジーによって制御できる。例えば、レーザースキャンの向きを積層ごとに90°ずつ回転させながら造形すると、特定の方向にのみ結晶成長を促すことができ、単結晶材料の育成が可能になる。

大阪大学 大学院工学研究科 マテリアル生産科学専攻 助教
大阪大学 大学院工学研究科附属異方性カスタム設計・AM 研究開発センター
奥川将行