選択的レーザー溶融（SLM）銅合金3Dプリント技術

高伝導性銅合金は軍事産業、航空宇宙、造船、高速鉄道、地下鉄、電気自動車、通信機器などの分野で広く使用されていますが、我が国が毎年必要とする高伝導性銅合金の50％は輸入に頼っています。この材料は航空宇宙、船舶などに使用され、導電性が優れ、必要な材料が少ないため、航空機や船舶の重量を軽減し、材料を節約して消費を減らし、他の機器をより多く運ぶことができます。インターネット、通信機器などに使用して、情報をより速く送信できます。電気自動車のバッテリーに使用することができ、1回の充電で現在のバッテリーよりも10〜20キロメートル長く走行できます。海底ケーブルに使用すると、安全で耐腐食性と耐久性があり、耐用年数が長くなり、ケーブル交換の膨大なコストを節約できます。

高伝導銅の用途<br /> 銅金属3Dプリント技術は主に航空・防衛分野で利用されています。米国のエアロジェット・ロケットダイン社が開発したRL10液体水素燃料ロケットエンジンには、3Dプリントされた銅合金の推力室部品が使用されています。 NASA はまた、GRCo-84 銅合金を印刷材料として使用し、銅製エンジン燃焼室ライニングの 3D 印刷においても画期的な進歩を遂げました。

銅は延性があることで知られており、金属 3D プリンターにとって理想的な印刷材料であると思われます。さらに、この金属は銀に次ぐレベルの熱伝導性を示し、高い電気伝導性により工業用途に適しています。
しかし、銅合金のレーザー 3D プリントは簡単な作業ではありません。その理由は誰もが知っています。

1) 銅合金は、金や銀と同様に、熱伝導率が高く、比熱容量が小さく、濡れ性が悪く、表面に硬い酸化膜があります。光点に対する反射率が高く、レーザーで発生した熱が表面に留まりにくく、機能コーティングを直接被覆することが困難です。これは、レーザーを扱う人にとっては理解しにくいことです。銅合金反射板は、レーザーの典型的な用途です。

2) 銅合金基板とコーティング材料システムの性能は大きく異なります。使用中のインターフェースの故障問題に注意する必要があります。中間に対応する遷移層が必要です。銅合金、金、銀は延性が良く、これもよく知られています。

3) 塗膜の靭性が不十分であり、塗膜内部に熱割れや応力などの欠陥が存在する。

銅は、その優れた熱伝導性と反射率のため、3D プリンター内での取り扱いが非常に難しい金属です。しかし、レーザー溶融プロセス中、銅金属の吸収率が低く、レーザーは銅金属粉末を連続的に溶融することができず、成形効率が低下し、冶金品質の制御が困難になります。また、銅は延性が高いため、余分な粉末を除去するなどの後処理が難しくなります。

「表面特性によって異なりますが、純銅は、一般的に使用されるレーザー波長 1 μm でレーザー放射を最大 90 パーセント反射します」と、フラウンホーファーレーザー技術研究所 (Fraunhofer ILT) のラピッドマニュファクチャリンググループの研究者であるダニエルホイッセン氏は説明します。

グリーンSLM
銅のレーザーに対する高い反射率に対処するため、ヒューセン氏と彼の同僚は、銅粉末ベッドで動作する 3D プリンターの課題を解決することを目指した「SLM Green」プロジェクトを立ち上げています。 ILT ヒューセン氏とその同僚は、「グリーン SLM」プロジェクトに取り組んでおり、3D プリンターが銅粉末の層から物体を構築する方法を変えることを目指しています。

形状記憶合金の実用化：
（a）油圧チューブ継手、
（b）電気遮断器、
（ｃ）熱アクチュエータ、
(d) サイモンフィルター、
（e）眼鏡のフレーム、
(f) スペーサーと
(g) ロボットアーム（アシシュ・アグラワル他、インド）

中国鉱業大学のYue ZhangらはCu50Zr50のSLM研究を実施しました。下の図はスキャン中の温度分布の変化を示しています。
SLM 後のクラッド層と 2 つの堆積層における Cu-Zr 合金の全ペア分布関数曲線。(b – d) SLM 後の 3 つの層における Cu-Zr 合金、Cu 中心、Zr 中心の最も人口の多い 9 つのボロノイ多面体タイプの割合。

Cu50Zr50合金のSLM研究中の構造変化：（a）上面図と断面、（b）詳細領域拡大（Yue Zhang他、中国鉱業技術大学）

さらに、日本の6大産業用ロボット開発会社の一つであるダイヘンと国立研究開発法人国立工業高等専門学校（大阪府）が最近、銅合金粉末と従来のM2金属3Dプリンターを使用して、3D積層成形と呼ばれる新しい方法を開発したという共同解決策を見つけたようだと報じられている。江蘇省レーザー連盟事務局によると、この方法の主な利点は、銅の3D成形を実現できるだけでなく、銅本来の特性（主に電気伝導性と熱伝導性）を大幅に失わないことが保証されることです。実際、研究者によると、導電性に重点を置いた場合、この方法では印刷された部品の銅純度を最大 90% にすることができ、銅の耐伸張性を印刷物に「埋め込む」こともできます。

しかし、この技術には、個々の部品の製造にかかる時間を大幅に短縮し、効率を向上させてコストを削減するなどの利点もあります。上記の利点を踏まえ、この新技術は航空宇宙、自動車、医療など多くの分野で幅広く活用されることが期待されています。実際、開発チームはすでにこれを活用し、これまで3Dプリントでは製造が困難だった積層レーザーを3Dプリントしたり、高電流水冷装置の改造に成功して冷却性能を大幅に向上させながらサイズと重量を大幅に削減するなど、いくつかの成果を上げています。

SLM レーザーは通常、光スペクトルの赤外線範囲で動作するため、銅による吸収が低くなり、光のエネルギーが金属を溶かすのに効果的ではなくなります。緑色レーザーの場合、必要なレーザー出力は少なくなります。さらに、レーザービームをより正確に焦点を合わせることができるため、より微細な部品の製造が可能になります。

「より均一な溶融池のダイナミクスを実現し、材料密度の高い部品を製造できるようにしたい。また、細部の解像度の向上など、他のプラス効果も実現したい」とホイッセン氏は付け加える。2019年半ばまでに完了する予定のこのプロジェクトは、ドイツ連邦工業研究所（AiF）から資金提供を受けている。

出典：江蘇省レーザー産業イノベーション連盟

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