Laser-sintering mechanism of metallic powder bed fusion using in-situ superhigh-speed observation

本研究では，金属積層造形法のうち金属粉体層にレーザを選択的に照射し溶融・凝固させるPowder Bed Fusion（PBF）法について，超高速でその場観察することでレーザ焼結の現象を解明することである．レーザ照射部において，粉体層が表面から加熱され，溶融，蒸発による反跳圧によりキーホールが形成され，下の焼結済の層に溶融池が到達することで，造形したい平面方向の領域とその下の粉体層と共に溶融，凝固をする．この，加熱・溶融・蒸発・凝固といったミクロで高速な物理現象を解明することは，造形品質，造形速度，粉体利用率の向上につながるレーザパラメータの探索に重要である．特に，キーホール形成時のプルーム発生現象や反跳圧が発生する際の衝撃波の現象を捉えることが重要となる．先行研究に，キーホール形成をX線CTで観察する方法があるが，X線の透過を考慮し観察方向の厚さが実際よりも薄いことが問題であった．また，プルームの発生に関しては，遠くに飛散する観察が主であり，ミクロな観察が行われていない．また，衝撃波の観察を行う例も無い．そこで本研究では，プルームおよび衝撃波を，溶融池全体をとらえる高倍率で観察することを試みる．初年度である2022年度では，衝撃波の観察をトライしたが，真横から観察するための均一な粉体層を形成することが困難で，未だに観察ができていない．プルームに関しても，光学系のセットアップが困難で，観察途中である．次に溶融池まわりの表面の揺らぎの可視化に関しては，当初よりも高い時間分解能（～1 μs）で観察することに成功した．また，表面の揺らぎおよびスパッタが飛ぶ瞬間の画像解析に取り掛かりつつある．

本研究では，金属積層造形法のうち金属粉体層にレーザを選択的に照射し溶融・凝固させるPowder Bed Fusion（PBF）法について，超高速でその場観察することでレーザ焼結の現象を解明することである．レーザ照射部において，粉体層が表面から加熱され，溶融，蒸発による反跳圧によりキーホールが形成され，下の焼結済の層に溶融池が到達することで，造形したい平面方向の領域とその下の粉体層と共に溶融，凝固をする．この，加熱・溶融・蒸発・凝固といったミクロで高速な物理現象を解明することは，造形品質，造形速度，粉体利用率の向上につながるレーザパラメータの探索に重要である．特に，キーホール形成時のプルーム発生現象や反跳圧が発生する際の衝撃波の現象を捉えることが重要となる．先行研究に，キーホール形成をX線CTで観察する方法があるが，X線の透過を考慮し観察方向の厚さが実際よりも薄いことが問題であった．また，プルームの発生に関しては，遠くに飛散する観察が主であり，ミクロな観察が行われていない．また，衝撃波の観察を行う例も無い．そこで本研究では，プルームおよび衝撃波を，溶融池全体をとらえる高倍率で観察することを試みる．初年度である2022年度では，衝撃波の観察をトライしたが，真横から観察するための均一な粉体層を形成することが困難で，未だに観察ができていない．プルームに関しても，光学系のセットアップが困難で，観察途中である．次に溶融池まわりの表面の揺らぎの可視化に関しては，当初よりも高い時間分解能（～1 μs）で観察することに成功した．また，表面の揺らぎおよびスパッタが飛ぶ瞬間の画像解析に取り掛かりつつある．