金属3Dプリント分野における科学的、技術的、経済的な課題と解決策

金属3Dプリント分野における科学的、技術的、経済的な課題と解決策
寄稿者: 黄盛、李迪塵

ペンシルベニア州立大学のT. DebRoy教授らは、2019年7月1日にNature Materials誌にレビュー記事を発表し、金属3Dプリントの分野が現在直面している科学的、技術的、経済的課題と解決策を体系的に紹介した。

金属3Dプリントは、生産サイクルが短い、製品形状が複雑(複数の部品を1つの部品に統合できる)、1つの装置でさまざまな製品を生産できるなどの利点があり、現在、航空宇宙、カスタマイズ製品、医療、エネルギー、自動車、造船などの業界で広く使用されています。近年の金属3Dプリンター機器の世界販売数や特許認可件数から判断すると、金属3Dプリンターは今後も成長を続けると予測されます。しかし、従来の製造プロセスと比較すると、現在の金属 3D プリント製品はサイズが非常に小さく、生産性、品質管理、再現性をさらに向上させる必要があるため、多くの課題に直面しています (図 1)。

科学的な挑戦<br /> 科学的な課題は、金属 3D プリントにおけるさまざまな処理条件と複雑な熱サイクル、そしてそれらがさまざまな微細構造の特徴や欠陥、部品の性能の進化に及ぼす未知の影響から生じます。金属 3D プリンティングの現在の科学的課題には、主に、プロセス - 微細構造 - 性能の関係の研究の進歩が遅いこと、微細構造の精密な制御、欠陥の進化と性能への影響の把握、凝固構造特性、粒子構造、トポロジー、テクスチャの進化の理解などがあります。

技術的な課題<br /> 金属 3D プリントが産業界で広く採用されるにあたって直面する技術的課題には、資格認証の欠如、製品の幾何学的複雑さとサイズの制限、プロセスとプリント シーケンスの設計の複雑さ、後処理プロセスの改善の必要性、安全衛生上の危険に対する保護などがあります。


経済的な課題<br /> 金属3Dプリンティングは現在、科学技術上の問題に加え、コスト競争力の向上の必要性、プロセス互換性のある原材料の少なさ、市場シェアの低さ、知的財産の障壁とサイバーセキュリティのリスク、標準、経験、トレーニングの不足などの経済的な課題に直面しています。

潜在的な解決策<br /> 金属 3D プリントの分野が直面している科学的、技術的、経済的課題に対応して、印刷可能性データベースの作成、金属 3D プリントの数学的モデルの開発とデジタル化、プロセス変数と製品パフォーマンスを最適化するための新しい数学ツールの使用、プロセスと製品の標準の確立、研究機関と企業間の協力の強化など、可能な解決策が提案されています。


図 1 金属 3D プリントの課題 a: 金属 3D プリントの主な科学的課題 (赤でマーク)、技術的課題 (緑)、経済的課題 (オレンジ)。 b: 温度勾配と凝固成長率は、3D プリント部品の粒子構造に影響を与える 2 つの主な要因であり、その多様性は微細構造を制御することの難しさを示しています。 c: さまざまな熱入力下でのステンレス鋼部品の凝固中の冷却速度の変化 参考文献:
DebRoy T、Mukherjee T、Milewski JO、他「金属印刷における科学的、技術的、経済的課題とその解決策[J]」Nature materials、2019(18):1026–1032。

寄稿者: Huang Sheng、Li Dichen 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

自動車、トレーニング、医療、エネルギー、航空

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