ヘレウスは、3Dプリントの限界を打ち破る、軽量で大規模な3Dプリントガラスと金属を展示します。

出典: 3Dプリンティングワールド

金属粉末の専門企業であるヘレウスは、シカゴで開催された「Automate 2019」ショーで、ガラス状金属としても知られるアモルファス金属から作られた3Dプリントギアを実演しました。ギアは、Heraeus の材料を使用して、標準の SLM システムで 3D プリントされました。この世界初公開により、ヘレウスは 3D プリントの限界を押し広げ、自動化ソリューションやロボット工学から航空、医療技術、自動車産業に至るまで、幅広い業界にまったく新しい設計の可能性を切り開きます。

Heraeus 社が印刷したアモルファス金属ギアは、積層造形法を使用して製造され、重量は 2 kg です。ほとんどの場合 1000 ケルビン/秒を超える高い冷却速度が求められるため、これまではアモルファス金属から製造できるのは小型の部品のみでした。開発プロセス中にギアのトポロジーも最適化されたため、材料とプロセスの専門家は、従来製造されたバージョンと比較して 50 パーセントの軽量化を達成することができました。 Heraeus は、サイズと複雑さの面で既存の技術的限界を再定義し、自動化業界やロボット工学などの設計の可能性に革命をもたらしました。

Heraeus の特殊材料を使用した高精度の層ごとの生産により、材料の使用量、重量、コストが削減されます。 3D プリントを使用すると、全体的な生産コストも削減できます。従来の方法では、複雑な部品を製造するには多くのプロセスと製造手順が必要になります。いくつかの個別の部品を製造し、組み立てる必要があります。しかし、3D プリンターではこのタスクを 1 つのプロセスで実行できます。

アモルファス金属は、原子レベルの構造が不規則な固体金属材料（通常は合金）です。ほとんどの金属は固体状態では結晶性であり、つまり原子が非常に整然と配列していることを意味します。アモルファス金属は非結晶性であり、ガラスのような構造を持っています。しかし、通常のガラスとは異なり、アモルファス金属は優れた電気伝導性を持っています。アモルファス金属は、優れた耐腐食性、優れた耐摩耗性、ポリマーの弾力性を備えています。また、軟磁性特性も備えており、簡単に磁化および消磁できます。

ほとんどの金属は冷却すると結晶化し、原子が格子と呼ばれる規則的なパターンに配列されます。しかし、結晶化が起こらなければ、原子はランダムに配列され（ランダム配列）、金属ガラス（金属ガラス）になります。

通常のガラスも原子がランダムに配列されていますが、金属ではありません。金属ガラスは透明ではありませんが、独特の機械的特性と磁気的特性があり、破損したり変形したりしにくいです。変圧器やゴルフクラブなどの製品の製造に最適です。

現在生産されている金属ガラスは薄くて細かいですが、これは金属が冷えるとすぐに結晶化するため、非常に速く凍結する必要があるためです。米国のジョンズ・ホプキンス大学の研究者トッド・ハフナゲル氏は、超高強度、超弾性、超磁性を持つ金属ガラスをより大きなサイズで製造する方法を研究している。この新しい金属は高温でも結晶化せず固体のままなので、エンジン部品や軍事兵器の製造に適している。

鉄を原料とした金属ガラスは磁性に優れ、加熱すると柔らかくなるため、さまざまな形状の完成品に鋳造しやすい素材です。

写真に示すように、He Nacho は誘導炉を使用して金属混合物を素早く溶かして金属ガラスを作ります。金属ガラスの出現は、クレイマーが蒸着法による金属ガラスの製造を初めて報告した 1930 年代にまで遡ります。1950 年代、冶金学者はニッケルやジルコニウムなどの金属を一定量混ぜて結晶を作る方法を学びました。1960 年代、カリフォルニア工科大学のクレメントとデュウェズらは急速冷却技術を使用して Au75Si25 金属ガラスを製造しました。合金の薄い層を毎秒 100 度の速度で冷却すると、金属ガラスが形成されます。しかし、急速な冷却が必要なため、非常に薄いストリップ、ワイヤ、または粉末としてしか製造できません。
最近、科学者たちは、異なるサイズの原子を持つ 4 つまたは 5 つの元素を混合することによって、ストライプなどのさまざまな金属ガラスを形成できるようになりました。原子のサイズを変えると、原子が混ざり合ってガラスが形成され、ガラスはより強くなります。これらの新しい合金の用途の 1 つは、ゴルフクラブヘッドの商業的製造です。

ハフナゲル氏は、国立科学財団と米国陸軍研究局の支援を受けて、新しい合金を試験するための研究室を設立した。彼は、高温でも固体のまま結晶化せず、エンジン部品に有用な材料となる金属ガラスの合金を作ろうとしていました。この材料は、徹甲弾などの軍事用途にも使用できます。衝突後に平らな形状からキノコ型に変化するほとんどの結晶金属弾とは異なり、金属ガラス弾は側面が回転して鋭利な弾となり、貫通力が最大になるとハフナゲル氏は考えている。

金属ガラスを厚くてかさばった形状に作るのは難しい。ほとんどの金属は冷えると突然結晶化するからだ。ガラスを作るには、金属が固まらなければならない。なぜなら、結晶格子は形成されると変化するからだ。銅やニッケルなどの純粋な金属からガラスを作るには、1秒間に約1兆度という速度で冷却しなければならない。

出典: 3Dプリンティングワールド

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