ORNLは3DプリントとHIP技術を組み合わせて大型金属部品を製造

2024年10月8日、アンタークティックベアは、クリーンエネルギー、航空宇宙、防衛などの分野で大型金属部品の需要が高まる中、米国エネルギー省のオークリッジ国立研究所（ORNL）が粉末冶金熱間静水圧プレス（PM-HIP）と積層造形（AM）技術を組み合わせることで、従来の鋳造および鍛造方法に代わる高精度な代替手段を提供していることを知りました。

従来の鋳造および鍛造能力は主に海外に移転しているため、米国のサプライチェーンでは重量が1万ポンドを超える部品の供給が困難になっています。 ORNL は、3D 印刷技術を使用してプロセス制御を強化し、より複雑な形状を実現する PM-HIP を研究しました。このプロセスでは、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) とハイブリッド積層-減算アプローチを使用してプリフォームツール (つまり「缶」) を作成し、これに金属粉末を充填します。密封された金型は、熱間等方圧プレス (HIP) で加熱および加圧サイクルを受けます。従来の方法とは異なり、この固体接合プロセスでは、金属粉末を溶融せずに高密度で複雑な形状に固め、より厳しい許容誤差と低減された多孔性を実現します。このアプローチは、設計の柔軟性を提供するだけでなく、厳しい高性能要件を持つ産業アプリケーションにとって重要な、マルチマテリアル構造への扉を開きます。

計算モデルを使用して収縮と一貫性の問題に対処する

PM-HIP の主な技術的障害の 1 つは、金属粉末の体積収縮に対処することです。この収縮は、固化プロセス中に最大 30% に達することがあります。部品の形状が複雑なため、この収縮は変化することが多く、寸法精度を維持することが困難になります。計算固体力学の上級研究科学者である Jason Mayeur 氏は、さまざまな形状の収縮挙動をシミュレートするための予測モデルを開発しています。このモデルは、最終的な部品が正確な仕様を満たすように、初期の金型設計に対する反復的な調整をシミュレートしてガイドすることができます。

「PM-HIP は、従来の方法では製造がますます困難になっている大型金属部品を製造するための制御された方法を提供します」と Mayeur 氏は言います。「予測モデルは、変形特性を予測し、さまざまな合金の加熱および加圧サイクルを最適化することで、プロセスを改良するのに役立ちます。」

Mayeur の計算研究を補完して、冶金学者 Soumya Nag は AM ベースのカプセル製造と最終部品の品質評価に焦点を当て、PM-HIP プロセスに関する実験研究を実施しました。ナグ氏の仕事は、金属粉末の機械的特性をテストして、HIP プロセスの厳しい条件下で材料が確実に機能することを確認することです。微細構造特性評価と高温合金評価における彼の専門知識は、堅牢な PM-HIP プロセス開発をサポートします。

「積層造形による設計の柔軟性と PM-HIP の信頼性を組み合わせることで、エネルギーや防衛用途向けの大型のカスタマイズされた部品を製造できます」と Nag 氏は言います。「計算による予測と実験的テストの連携により、ORNL は PM-HIP の可能性の限界を押し広げ、重要なインフラストラクチャに必要な厳格な基準を確実に満たすことができます。」

戦略的な産業応用と脱炭素化目標

PM-HIP が国内で高品質の金属部品を生産する能力は、米国が海外サプライヤーへの依存を減らすのに役立ち、これはサプライチェーンの回復力を強化するために重要です。原子力、水力、航空宇宙の各分野では、PM-HIP は、圧力容器やインペラなどの大型で複雑な部品を、靭性や熱疲労耐性の向上など材料特性を向上させて製造する方法を提供します。

さらに、ORNL の進捗は米国エネルギー省の脱炭素化の優先事項と一致しています。 PM-HIP プロセスにより、エネルギー生成および配電インフラストラクチャで高性能材料を使用できるようになるため、より効率的で排出量の少ないシステムへの移行がサポートされます。こうした部品を現地で生産することは、海外への輸送や長いサプライチェーンに伴う二酸化炭素排出量の削減にも役立ちます。

残された技術的課題に対処し、業界での導入を加速するため、ORNL は 2024 年 10 月 9 日から 10 日に製造デモンストレーション施設 (MDF) で PM-HIP ワークショップを開催します。このイベントは、金属粉末産業連盟と電力研究所の支援を受けており、メーカー、研究者、政策立案者を集めることを目的としています。このセミナーでは、PM-HIP プロセスを改良し、業界全体にわたってその適用範囲を拡大するための共同の取り組みに焦点を当てます。

このイベントは、DOE の先端材料および製造技術局 (AMMTO) の支援を受け、先進的な製造ソリューションを推進する ORNL のより広範な取り組みの一環です。ワークショップは、産業界と学界の緊密な連携を促進し、対象となる研究ニーズを特定することで、技術を商業化に向けて前進させることを目指しています。

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