3Dプリントが金属アクチュエータに新たな未来をもたらす

ピッツバーグ大学の機械工学および材料科学の教授である Markus Chmielus 氏は、3D 印刷技術によって将来の産業で磁気アクチュエータを簡単かつ手頃な価格で印刷できるようになると考えています。このドライブは、ロボットアーム、部品グリッパー、折りたたみ式ソーラーパネルなどのオブジェクトを正確に移動でき、電力を必要とせずに複数のタスクを完了できます。国立科学財団（NSF）もこの見解に同意している。最近、財団はチミラス氏の研究室に研究成果の達成を支援するために30万ドルの資金を提供した。これに先立ち、今回の資金調達は、Chmielus の第一段階の研究、すなわち 3D バインダージェット印刷された強化磁性金属が磁性形状記憶合金の性能に与える影響の研究に使用されました。これまでのところ、この研究は有望だと彼は言う。

磁性形状記憶合金単結晶の双子（リボン状）。画像提供：ピッツバーグ大学
チミラス氏は、磁性形状記憶合金を磁場内に置くと形状が変化し、磁場が除去されると元の形状に戻ると説明した。さらに、一定量のエネルギーを自発的に生成できるため、小さな物体に作用する場合は、電池などの電源を必要とせずにアクチュエータを作動させることができます。

また、磁場バインダージェット印刷技術では、磁場を使用して原料粉末粒子を整列させ、材料の構造と磁気異方性（材料が磁場にどれだけよく反応するかを測定する特性）を強化すると述べました。駆動反応は材料の異方性から生じます。

他の研究者も同様の印刷方法に取り組んでいるが、すべてがうまくいけば、彼と彼のチームはこの方法を使用して、高張力と最適な微細構造配置を備えた材料を印刷し、高精度で高性能なロングストロークアクチュエータと磁性材料を作成する最初の研究者になるだろうと、Chmielus 氏は語った。

積層造形用の磁性形状記憶粉末。画像提供：ピッツバーグ大学

ユニークなアプローチ<br /> 現在使用されている最も一般的で、最も優れた性能を持つ磁性形状記憶合金は、結晶格子が端まで完全にそのまま残っている固体単結晶合金です。「結晶内部の微細構造全体が同じです」とChmielus氏は述べ、これにより粒子が非常にきれいに整列し、磁場に対する反応が最適化されると語った。温度、圧力、磁場の強さなどの環境要因によって引き起こされる「相変態」プロセスの後、合金の形状やその他の機械的特性が変化します。

しかし、これらの高品質の合金には、価格が高いことや製造プロセスが複雑であることなどの制限もあります。クミエルス氏は、この材料から強くて複雑な物体を作るのは非常に難しいと語った。

センサー、ロボット、発電機械などの将来の用途に向けた複雑な構造を持つ合金をよりコスト効率よく製造する方法を見つけるために、Chmielus は、原材料として自社で製造できるニッケルベースの合金粉末を選択しました。この粉末は、低い双晶形成圧力と作動特性で知られる、一般的に使用されている磁性形状記憶合金です。チミラス氏の研究室では、生体適合性材料やチタン合金で作られた物質を原料として使用する実験も行われている。

さらに、研究者らは独自の3Dバインダージェットプリンターも構築し、それを金属製の箱に収めました。箱の外側に永久磁石または電磁石を使用して、箱内の材料を磁化します。 Chmielus 氏は、このプロセスを完了するには弱い磁場だけが必要であると述べています。

印刷システムはより完成度が高い
Chmielus 氏は、バインダージェット印刷システムには多くの利点があると述べました。単結晶合金とは異なり、使用されるニッケルベースの粉末は、印刷前にレーザーで溶かす必要がないため、印刷プロセスが安価になり、実現が容易になります。印刷プロセスは非常に簡単です。最初に粉末の層を置き、次にその上に接着剤の層を塗布し、オブジェクトが完成するまでこのプロセスを繰り返します。「家庭用インクジェットプリンターのようなものです」と彼は言いました。

さらに、Chmielus 氏は、バインダージェット印刷プロセスは、積層造形で一般的に使用されるレーザー焼結プロセスよりもはるかに高速であると述べました。「前者はレーザーを使ってサンプルをスキャンするのではなく、大きな材料ボックスを使って領域全体を印刷するので、少なくとも10倍は速くなります」と彼は語った。

しかし、バインダージェット印刷の問題点は、粉末粒子を最適な特性に整列させることがうまくできないことです。この問題を解決するために、研究者たちは粒子の配置を変えるために異なる強度の磁場を選択し、層ごとに粒子を磁化しました。「粉末がある部分を磁場で覆うと、粒子が整列して性能が向上します」と、チミラス氏は言う。「釘の入ったバケツに磁石を入れて、釘が隣同士に整列するようなものです。」

研究者らは現在、粒子整列技術のさらなる最適化に取り組んでおり、この技術はメーカーが電気モーターや発電機などの製品に使用する磁気配向材料を印刷するのに役立つだろう。

さらに、製造業者はバインダージェット印刷を通じて材料の多孔性を変更したりカスタマイズしたりすることができます。

「液体が流れる構造など、美しくデザインされたあらゆる種類の凝った構造物を作ることができます」と Chmielus 氏は言います。「あるいは、多孔性は一部の構造物には適さないかもしれませんが、他の構造物には適しているかもしれません。」

粒子は方向制御された方法で磁化されるため、印刷された合金は独自のエネルギーを生成することもできます。チミラス氏は、材料の形状を機械的に変化させることで磁場の方向を変え、エネルギーを生成して作動させることができると述べた。

研究の次の段階では、研究室は立方体やピストンに似たものなど、「極めて退屈な」物体を印刷することを計画している。しかし、Chmielus 氏は、数年後には製造業者がこの 3D 技術を使用して、複雑な金属アクチュエーターやその他のハイエンド構造など、現在は印刷できない一部のオブジェクトを印刷できるようになると予測しています。

出典: アメリカ機械学会

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