レイジア・アディティブの金属3Dプリント多孔質構造技術の詳細な説明

出典: 3Dプリンティングビジネス情報

近年、金属3Dプリント技術の継続的な発展と進歩に伴い、多孔質構造の分野はますます多くの研究者の注目を集めています。多孔質構造材料は、優れた圧縮抵抗、軽量、低密度、大きな比表面積、高い比剛性、高い熱伝導率など、優れた総合的な物理的および機械的特性により、特定の分野で新しい機能性構造材料となっています。バイオメディカル、航空宇宙、インテリジェントロボット、触媒キャリア、マフラー、熱交換器、難燃剤などの分野で広く使用されています。

図1 バイオメディカルにおける多孔質構造の応用多孔質構造材料は、多数の細孔を含むタイプの材料であり、主に材料自体の基本構造を形成する連続した固相と、細孔を形成する流体相で構成されています。多孔質材料の細孔は、設計者やユーザーが望む機能相であり、材料の性能を最適化します。多孔質材料には、次の 2 つの要素が必要です。1 つは、材料に多数の気孔が含まれていること、もう 1 つは、期待される性能指標を達成するために、特定の設計要件を満たすために気孔が使用されていることです。多孔質材料は、その材料構成に応じて、主に多孔質金属、多孔質セラミックス、発泡プラスチックに分類されます。一般的な有機およびセラミック多孔質体は、強度、可塑性、高温などの使用条件の要求を同時に満たすことは常に困難です。多孔質金属材料は、上記の多孔質材料の欠陥をある程度補い、急速に発展してきました。

図2 多孔質構造ユニット

図3 3つの多孔質グリッド構造のトポロジー最適化反復プロセス多孔質構造材料の需要が徐々に拡大するにつれて、パラメトリック多孔質構造設計のアプリケーション開発に注目する企業がますます増えています。金属 3D プリント多孔質構造をリードするいくつかのハイテク企業は、すでに多孔質材料で画期的な進歩を遂げています。広州雷佳添加技術有限公司の研究開発チームは、SLM技術を使用して、体心立方構造を持つCuSn/18Ni300の二金属均一多孔質構造を調製し、圧縮試験を通じてその圧縮挙動とエネルギー吸収挙動を研究しました。この構造は、CuSn合金の優れた熱伝導性、延性、耐腐食性と18Ni300マルエージング鋼の高強度特性を兼ね備えており、機能統合部品に適用できます。

図4 多孔質構造材料と圧縮性能広州雷佳加成科技有限公司の研究開発チームは、Rhinoceros プラグイン Grasshopper を使用してパラメトリック多孔質構造を設計することを提案しました。入力パラメータを調整して、設計された多孔質構造のタイプ、多孔度、表面積と体積の比率、平均孔サイズを変更することで、パラメトリックモデリング手法を医療用インプラントに適用し、パラメトリック多孔質インプラントを設計し、迅速なモデリングの効果を実現しました（図5を参照）。

図5 雷佳添加剤パラメトリック多孔質構造モデリング広州雷佳添加剤テクノロジー株式会社の研究開発チームは、多孔質構造の機械的挙動は、その破壊特性に応じて、脆性破壊多孔質構造と延性圧縮破壊多孔質構造に分けられることを発見しました。その理由は主に材料に関係しています。 3Dプリント後、脆性多孔質構造（45度破壊特性）には、主にTi6Al4V多孔質構造とアルミニウム合金多孔質構造が含まれます。 3Dプリント後、延性圧縮破壊多孔質構造には、主に316L多孔質構造、18Ni-300多孔質構造などが含まれます。多孔質構造は、多孔度の変化の有無によって、均一多孔質構造と勾配多孔質構造に分けられ、これら2つの多孔質構造の圧縮挙動も異なります。均一多孔質構造の圧縮プロセスは、一般的に均一圧縮ですが、勾配多孔質構造（圧縮軸に沿った勾配）の圧縮プロセスは、一般的に層ごとの圧縮であり、主に多孔度の変化に関係しています。

図6 機能傾斜材料における局所的性能と位置の関係と天然生体材料における基本的な機能傾斜設計の形態と原理

多孔質構造の圧縮曲線の特性に応じて、張力優位型多孔質構造と曲げ優位型多孔質構造に分類できます。圧縮曲線の特性に応じて、弾性領域（I）、弾塑性崩壊（II）、塑性崩壊または不安定応力領域（III）、および緻密化（IV）領域の4つの領域に分けられます。曲げが支配的な多孔質構造の圧縮曲線はひずみ硬化傾向を示しますが、張力が支配的な多孔質構造の圧縮曲線は、最初の圧縮強度ピークに達した後、ひずみ軟化領域を形成するために戻ります。

図7 （a）曲げ支配型多孔質構造と（b）張力支配型多孔質構造の圧縮挙動の模式図

図8 広州雷佳加成科技有限公司の多孔質構造サンプル。多孔質構造を作成するための金属3Dプリントは、幅広い材料に適用でき、複雑な形状を作成でき、内部のマクロな細孔を制御できます。開発サイクルが短く、コストが低く、材料の利用率が高いため、大きな可能性を示しています。今後、雷佳添加剤は多孔質構造材料の開発に力を入れ、多孔質構造分野における3Dプリントの応用と開発を継続的に深化させ、バイオメディカル、航空宇宙、インテリジェントロボットなどの分野におけるパラメトリック多孔質構造設計の応用を推進していきます。

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