Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

外側は硬くて耐摩耗性に優れ、内側は強靭で柔軟な部品を、一つの連続したプロセスで作り出せる単一の機械が存在する世界を想像してみてください。これは、レーザー金属堆積法と呼ばれる技術が約束する未来です。このプロセスでは、高出力のレーザーが、吹き込まれた金属粉末を溶かしながら、デジタルデザインから直接、層を重ねるようにしてコンポーネントを構築していきます。長年、エンジニアはこの手法を用いて、単一種類の金属から部品を作ってきました。しかし、現実の世界はそれほど単純ではありません。例えば、タービンブレードは先端で極限の熱に耐えつつ、根元付近では柔軟性を保つ必要があります。あるいは、医療用インプラントには、骨とよく結合する表面と、重い荷重を支えるコアの両方が求められるかもしれません。こうしたニーズに応えるため、科学者たちは長い間、造形プロセス中に異なる金属を混合することを試みてきました。課題は常に「制御」でした。どのようにすれば、二種類の粉末を、一方がコースから外れたり塊になったりすることなく、溶ける直前に完璧かつ均一に混ぜ合わせることができるのでしょうか。

中国の南昌大学の研究チームは、金属粉末をレーザービームへと導く装置であるノズルを新設計することで、この問題に取り組みました。彼らの新しい設計は、粉末を機械に入る前にホッパー内で混ぜ合わせるのではなく、最後の瞬間まで二種類の粉末を別々に保持するというものです。彼らは二重チャネル同軸ノズルを製作しました。これは実質的に、管の中に管がある構造です。内側の管は一種の金属粉末を運び、外側のリングは別の種類の金属粉末を運びます。両方の流れが同じ場所に向かって同時に発射されます。目標は、重量や形状の違いによって自然と異なる挙動を示すこれら二つの異なる流れを、溶融金属に衝突する直前で強制的に収束させ、均一に混合させることでした。

このノズルを構築するための最適な方法を見出すため、研究者たちはまずコンピュータシミュレーションを活用しました。彼らはガスの流れと粉末の流れの仮想モデルを作成し、異なる形状や角度が流れにどのような影響を与えるかをテストしました。その結果、チューブのサイズと向きの角度が極めて重要であることが判明しました。チューブが広すぎると、粉末が拡散しすぎて焦点が失われます。角度が不適切だと、二つの流れが互いにすれ違ったり、異なる距離で収束したりして、乱れた混合状態になってしまいます。これらのシミュレーションを通じて、内側チャネルの角度は70度、外側チャネルは60度とし、両方のチューブの直径を0.8ミリメートルに設定すべきであることを突き止めました。また、内側チューブの出口はノズルの中心から3ミリメートルの位置に、外側チューブは内側からわずか1ミリメートルの距離に配置すべきであることも算出しました。これらの特定の寸法を用いることで、二つの粉末が合流する地点を最もタイトで集中した状態にできることを彼らは発見しました。

コンピュータモデルの最適化が終わると、チームは物理的なノズルのプロトタイプを製作し、テストを行いました。彼らは、この設計が困難な課題に対処できるかを確認するために、TC4として知られるチタン合金、モリブデン、銅という、非常に異なる三種類の金属を選択しました。これらの材料は密度や形状が大きく異なります。チタンとモリブデンの粉末はほぼ完全な球形でしたが、銅の粉末は不規則でギザギザしていました。研究者たちはハイスピードカメラを使用して、ノズルから飛び出す粉末を観察しました。映像では、性質の違いにもかかわらず、二つの粉末の流れが共に移動し、正確に同じ空間の点で出会っている様子が映し出されました。チタンと銅の粉末を混合させた際、金属の色の違いによって、混合の様子をリアルタイムで確認することができました。銀灰色のチタンと赤褐色の銅は、収束点においてシームレスに混ざり合い、一方がもう一方の上に層を作ったり、別々の塊になったりする兆候は見られませんでした。

この混合が実際の製造現場で機能することを証明するため、研究者たちはこのノズルを使用してサンプル部品を製作しました。内側チャネルにチタン合金を、外側チャネルにモリブデンを供給し、10層の高さを持つ単一のトラックを作成しました。部品の製作後、彼らはそれを断面で切り、顕微鏡で観察しました。結果は明白でした。モリブデンは、チタンと同様に構造全体に均一に分布していました。一方が底に沈殿したり、上に浮いたりしていることを示す暗い部分や明るい部分は存在しませんでした。これにより、粉末が溶ける前に空気中で徹底的に混合され、二つの非常に異なる材料の均一なブレンドが作成されたことが確認されました。

この研究は、粉末の流れの経路を精密に設計することで、異なる金属をレーザービームに届け、事前混合することなく完璧な混合を実現できることを示しています。このアプローチは、カスタマイズされた特性を持つ複雑なコンポーネントを作成するための、新たなレベルの制御を提供します。研究者たちは、適切なノズル形状さえあれば、重い、軽い、丸い、あるいはギザギザしているといった粉末の自然な差異は障壁にはならないことを示しました。むしろ、それらを管理することで、成分の持つ最良の特性を組み合わせた、一貫性のある高品質な材料を生み出すことができるのです。これは、将来のより高度で適応性の高い金属部品への扉を開くものです。