【分析】積層造形技術における金属材料の研究の進歩

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-8-3 10:40 に最後に編集されました。

積層造形技術研究における金属材料の発展の歴史をまとめ、異なる成形メカニズムを分類して説明します。チタン合金、ニッケル合金、鋼、アルミニウム合金、超硬合金などの材料を網羅し、積層造形技術分野におけるさまざまな金属材料の研究の進捗状況を詳細に紹介することに重点を置いています。最後に、業界は「政府、応用、産業、学界、研究」の融合にさらに重点を置き、市場志向で、金属材料の一連の付加製造プロセス方法と標準を徐々に形成することを提案します。

積層造形技術とは、その名の通り、離散的積層方式で少しずつ材料を積み重ねていく加工技術を指します。主な工程フローを図1に示します。

初期の積層造形技術は、主に製品設計に迅速に対応するための試作に使用され、使用される材料には樹脂やプラスチックなどが含まれていました。市場の需要が継続的に増加するにつれて、積層造形技術は外観の要件を満たすだけでなく、徐々に機能部品の製造へと移行する必要があります。そのため、金属材料の研究は止まることはありません。 1990 年代半ば、米国のユナイテッドテクノロジーズリサーチセンター (UTC) とサンディア国立研究所は、金属部品のニアフォーミング製造と局所的な修理に Nd:YAG 固体レーザーと同期粉末供給システムを使用するレーザー工学によるニアフォーミング製造技術を共同で開発しました。
同時に、スウェーデンのアルカム社は、電子ビーム溶融ラピッド製造技術に基づく金属材料の「自由成形技術」を開発し、金属粉末から高密度部品を直接生成できるようになりました。中国の西北工科大学凝固技術国家重点実験室の黄衛東教授は、ラピッドプロトタイピングの限界を打ち破り、より複雑な形状の金属部品を得るためのレーザー立体成形技術を開発しました。その後、米国ロスアラモス国立研究所が直接光学製造用金属部品のラピッドプロトタイピングを開発、米国スタンフォード大学とカーネギーメロン大学が形状堆積製造技術を共同開発、米国ミシガン大学が直接金属堆積技術を研究開発、ドイツフラウンホーファー研究所が制御金属堆積技術を開発、英国バーミンガム大学の呉新華教授が制御レーザー製造技術を提案するなど、様々な成果が発表された。現在、中国では金属レーザークラッディングと金属材料の選択的レーザー溶融または焼結（SLS）技術が市場を支配しています。SLS技術のルートを図2に示します。多くの研究機関や学者が金属材料の付加製造技術にさまざまな名前を付けていますが、その形成原理はいくつかのカテゴリにすぎません。

積層造形技術の最も重要な特徴は、材料を自由に、かつ制御された方法で追加できることです。これを実現するには、追加する材料をまず流体状態にする必要があります。金属材料の溶融やガス化には非常に高いエネルギーが必要であるため、熱源としてはレーザービームや電子ビームなどの高エネルギービーム粒子流が一般的に選択されます。熱の程度に応じて、金属材料は完全に溶けたり、部分的に溶けたり、あるいは全く溶けなかったりすることがあります。純金属の場合、融点以上の温度であれば材料を完全に溶融することができます。多成分単一高融点合金の場合、材料の溶融プロセスに固液共存領域があり、材料を不均一に溶融させるには、固相線温度よりわずかに高い温度が必要です。その後、残りの固相は、粒界への液相の浸透と熱の拡散を通じて再配置され、溶融されます。

上記の材料系粉末は、SLM、LENS、LSF、EBM などの成形プロセスでよく使用されます。材料が多成分混合物である場合、成分の融点が異なるため、低融点材料部分が最初に溶けてバインダーとなり、高融点材料部分は構造材料として機能し、固体コアを保持します。通常、高融点材料は金属であり、低融点材料は有機樹脂または金属です。たとえば、3Dsystem の RapidSteel および CopperPolyamide 材料シリーズ、EOS のスチール、ニッケル、青銅の混合粉末システムなどです。固体粒子を液相で包み込み、湿らせて緻密化させるプロセスを液相焼結といいます。一般的に使用されるプロセスには、金属材料の SLS などがあります。

さらに、金属材料の固相焼結や化学反応に基づく付加製造プロセスの研究も報告されており、Kru th は詳細な説明と分類を行っています。成形メカニズムとプロセスが異なる理由は、主に材料の種類の多様性によるものです。国内外の研究者は、市場の需要を満たすために、今も新しい材料システムの開発を続けています。以下では、積層造形技術における重要な金属材料をいくつか一つずつ紹介します。

1. チタン合金<br /> チタン合金は、比強度が高く、耐食性に優れ、高温機械的特性に優れているという特徴があり、さまざまな産業で広く使用されています。しかし、処理コストが高く、納品サイクルが長いため、その適用範囲は限られています。特に、カスタマイズされた要件がある航空宇宙および生物医学の分野では、従来の処理方法の欠点がより顕著になります。チタン合金は、積層造形技術において広く研究され、応用された最初の合金材料です。 Ti-6Al-4V（TC4）合金は、主に航空産業のフレーム、ビーム、ジョイント、ブレード、その他の部品に使用されます。この合金は熱可塑性と溶接性に優れており、レーザービームや電子ビームによるラピッドプロトタイピングプロセスに非常に適しています。アメリカのAeroMet社は、レーザーラピッドプロトタイピング技術を使用してチタン合金部品の取り付けと応用を実現した歴史上初の企業です。しかし、熱間静水圧プレス（HIP）やオープンダイカストを経ても、同社のTC4部品の性能は鍛造基準を満たしておらず、主要な耐荷重部品として使用することはできません。

第15次5カ年計画期間中、北京航空航天大学の王華明教授チームはレーザー溶融堆積のキーテクノロジーを突破し、TC4チタン合金の製造に成功しました。その常温および高温引張、高温クリープ、高温耐久性、平滑疲労、ノッチ疲労などの機械的特性は鍛造品を大幅に上回り、この構造部品は航空機に搭載されています。西北工科大学の黄衛東教授は、TC4レーザー立体成形部品の研究を行った。堆積状態と熱処理状態の両方の機械的特性は、鍛造焼鈍状態の標準および米国AeroMetのレーザー成形部品よりも優れている。さらに、北京航空製造工学研究所の高エネルギービーム加工技術重点研究室は、電子ビーム溶解技術を使用して、優れた性能を持つTC4チタン合金サンプルを迅速に準備しました。海外では、アメリカ材料試験協会がTC4チタン合金の粉末クラッディングプロセスに関する規格ASTM-F2924-14「粉末床溶融結合によるチタン-6アルミニウム-4バナジウムの積層造形標準仕様」を発行しています。これも積層造形業界では数少ない、特定の材料に関する規格の1つです。付加製造法を用いて TC4 チタン合金を製造するプロセス技術はかなり成熟しており、販売および生産サービスの市場に完全に参入していると言えます。今後の研究では、TC4 の組成とプロセスパラメータのさらなる最適化に重点が置かれます。

Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V（TA15）合金は、高いAl当量と優れた熱強度、溶接性、加工可塑性を備えた近α型チタン合金です。 TC4と同様に航空機やエンジン構造用の重要なチタン合金材料として、航空機にも搭載されています。レーザー高速成形 TA15 チタン合金のさまざまな特性（フライス加工、ボーリング加工、穴あけ加工、タッピングなどの切削加工特性を含む）は、鍛造品の特性と大きく変わりません。厚肉 TA15 合金部品の焼鈍熱処理後の引張機械的特性は、鍛造焼鈍状態のものよりも優れています。 Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr-0.3Si（TC11）合金は、主に航空機のブレードに使用されます。これはα+β二相合金です。合金には少量のSiが添加されており、クリープ耐性が向上しています。

2010年、貴州省溧陽航空宇宙推進有限公司と北京航空航天大学は共同で「大型チタン合金一体型ブレードのレーザーラピッドプロトタイピング技術の研究」プロジェクトを実施し、「TC11チタン合金一体型ブレードのレーザーラピッドプロトタイピング部品およびコンポーネントの技術条件」を完了し、固体部品の製造を行い、機械的性質は鍛造品の技術基準に達しました。 Ti-4Al-1.5Mn（TC2）合金は、溶接性に優れた中強度チタン合金で、主にパイプの接続に使用されます。この合金は変形能力が悪く、加圧加工による成形が困難です。付加製造技術は間違いなく、この合金の製造に希望の光をもたらすでしょう。レーザー溶融堆積焼鈍処理した TC2 チタン合金の常温引張特性は優れていますが、その可塑性には明らかな異方性があります。後処理工程では、焼鈍温度の上昇により、試験片の靭性を失うことなく強度が向上します。焼鈍温度が 955℃ のとき、空冷によって得られた試験片のノッチ付き衝撃靭性は最高で、888kJ/m2 に達します。

Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.3Si (TC6) は、低密度、高強度、耐腐食性を備えた 2 相チタン合金です。材料費が高価であり、偽造が困難です。通常の焼鈍処理を経た TC6 チタン合金半製品は、300°C 未満の航空機構造部品の動作温度要件を満たすことができます。 TC6 チタン合金はレーザー立体成形プロセスによって製造され、堆積部品と焼鈍部品の両方が鍛造基準を満たすことができます。 Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.3Si-1Nd（Ti60）合金とTi-6Al-2.8Sn-4Zr-0.5Mo-0.4Si-0.1Y（Ti600）合金は、600℃高温チタン合金の主な研究対象であり、それぞれ中国科学院金属研究所と西北非鉄金属研究所によって開発されました。

前者は使用温度が600℃まで上がり、航空機エンジンの高圧部のコンプレッサーディスク、ドラム、ブレードなどの部品に使用されています。その後、これをベースにTi-5.8Al-4.0Sn-3.5Zr-0.4Mo-0.4Si-0.4Nb-0.4Ta（Ti60A）チタン合金が開発され、後者は600～650℃で長時間使用でき、クリープ特性に優れ、高温下での長期荷重支持部品に適しています。 Ti60 合金のレーザーステレオリソグラフィーでは、ウィドマンシュテッテン構造である等軸結晶構造が示され、より優れた機械的特性を得るには二重のアニーリングが必要です。一方、Ti60 および Ti60A のレーザー溶融堆積では柱状結晶構造が示されますが、それでも二重のアニーリングが必要です。さらに、ノースウェスト非鉄金属研究所では、電子ビーム成形を使用して Ti600 合金を成形しています。EBM プロセスが異なると、成形された部品の破壊メカニズムも異なります。

バイオメディカル分野に目を向けると、Arcam の CP2 や Ti6Al4V など、一般的に使用されるいくつかの材料が認証されています。さらに、M. Spiers らは SLM プロセスを使用して Ti-13Nb-13Zr 合金ステントを形成し、多孔質形状が機械的特性に与える影響を研究しました。J. Hernandez らは、EBM 法で β 相 Ti-24Nb-4Zr-7.9Sn 合金を作製し、その微細構造と硬度を分析しました。別の研究では、Ti-6Al-7Nb チタン合金のレーザー成形に焦点を当て、さまざまな要因が部品の性能と用途に与える影響を調査しました。性能を確保しながら、材料を人体に適合させる方法が、研究者が次に取り組むべき課題です。

２ニッケル合金<br /> ニッケルは適切な元素を添加することで耐酸化性、耐腐食性、耐高温性を向上させることができるため、ニッケル合金は工業や軍事分野の耐高温腐食部品に広く使用されています。近年、エンジン技術の継続的な発展に伴い、耐熱合金に対する耐熱性、強度、靭性、疲労性能などの要求が厳しくなり、ニッケル基合金の急速成形に関する研究が活発化しています。部品の優れた性能を実現するために冶金欠陥と溶融構造を制御する方法が、研究における重要な技術です。

インコネル718（中国のグレードGH4169に相当）合金には、ニオブやモリブデンなどの元素が含まれています。700°Cでの強度、靭性、耐腐食性が高く、蒸気タービンや液体燃料ロケットの部品によく使用されます。このタイプの合金は溶接性も良好で、溶接後に割れる傾向がないため、レーザー成形技術を使用した製造に特に適しています。国内外の多くの科学研究チームが、ニッケル系合金の中で最も研究が進んでいるインコネル718の成形研究に注力しており、積層造形産業市場では、加工サービスの代表的な材料として利用されています。インコネル 625 とインコネル 738 は、このシリーズで集中的に研究され、応用されている他の 2 つの材料です。

たとえば、L。 Sexton は、ブレードの修復にレーザークラッディングに Incone 625 合金を使用し、より優れた微細構造、より高い硬度、より低い多孔性を実現しました。Sun Hongqing らは、方向性凝固ニッケルベースの高温合金に Incone 738 をレーザークラッディングし、亀裂感受性の観点から研究を行いました。さらに、インコネル 600、インコネル 690、インコネル 713 などの材料もレーザークラッディング技術の成形研究に使用されています。 Ren e シリーズは、ゼネラルエレクトリック社が自社製品の高温部品に使用するために独自に開発したニッケル基合金材料です。

21 世紀初頭、ルネ 95 合金レーザーラピッドプロトタイピング部品の機械的特性は粉末冶金 C 級標準に近く、塑性指数は粉末冶金 A 級標準を超えました。その後、日本の大阪大学の藤田洋弘らは、ルネ142高温合金を単結晶基板CMSX-4にクラッドした。テキサス大学のL. E. Murr らは、電子ビーム溶融堆積法で作製した Rene 142 合金の微細構造を詳細に研究しました。また、報道によると、ゼネラルエレクトリックは金属材料の付加製造技術に長年携わっており、初期には主に航空部門で開発・応用されていたが、現在は徐々に他の部門に移行しており、自社で開発したRen e合金については、多くの関連研究作業を行っているに違いない。

FGH 95は、国内の高温合金グレードの中で、1980年代初めに開発された最初の高温合金粉末です。その組成はRene 95に似ており、レーザー立体成形部品の常温機械的特性は粉末冶金の技術基準に非常に近いです。さらに、鋳造 K418 および一方向凝固 DZ408 合金材料は、レーザー成形および修復研究での使用が報告されています。適切なプロセスパラメータを選択すると、優れた機械的特性が得られます。

３スチール 鋼は合金材料の最大の分野です。鋼の組成、形状、製造プロセスの多様性により、鋼は伝統的な製造業において特別な地位を築いてきました。積層造形技術の発展の歴史において、鋼も成形研究に広く使用されている重要な材料であり、ステンレス鋼、高強度鋼、金型鋼の3つのカテゴリに分類できます。 304 および 316 オーステナイト系ステンレス鋼粉末 (およびその低炭素グレード) は、レーザー成形研究用に開発された最初のステンレス鋼材料であり、現在では積層造形市場における一般的な加工材料となっています。

今後は321オーステナイト系ステンレス鋼も市場に投入される予定です。マルテンサイト系ステンレス鋼については、レーザークラッド420ステンレス鋼部品の耐食性が従来の鍛造420ステンレス鋼部品より30％高いことが研究で報告されています。現在、市場は2Cr13と17-4PHの2つの材料によって支配されています。ドイツのEOS社も、積層造形技術のためにMS1、GP1、PH1の3グレードの合金を特別に開発しました。Aermet 100鋼は二次硬化超高強度鋼です。このタイプの合金は航空宇宙分野で広く使用されていますが、その溶解および成形プロセスは複雑です。現在、レーザー急速成形技術が開発されており、300M、30CrMnSiA、40CrMnSiMoVAなどの高強度鋼の研究も徐々に行われています。金型は一般的に、1 個ずつ小ロットで製造されます。金型の形状は比較的複雑で、内部に適合した冷却チャネルが必要なため、付加製造技術を使用した処理に特に適しています。

H13 熱間加工ダイス鋼は、硬度が高く、軟化抵抗が良好です。レーザークラッディング成形部品の機械的特性は、同じ硬度の鍛造 H13 鋼よりも優れています。M.、リーズ大学、英国。 Badrossamayらは、SLMプロセスを使用してM2ダイス鋼と316Lステンレス鋼を成形することに成功し、粉末溶融プロセスにおける影響要因を比較および分析しました。さらに、P20、18Ni300、Invar 36 などの材料も積層造形業界で使用されています。

４その他<br /> アルミニウム合金は融点が低く、急速溶融・凝固時の温度勾配が比較的小さいため、成形された部品は変形したり割れたりしにくく、一般的にLC、SLS、SLMなどのプロセスに適しています。黄衛東教授のチームは、AlSi12合金粉末レーザー成形を使用してZL104合金と7050アルミニウム合金を修復しました。修復された部品の機械的特性は、ベース合金のそれをさらに上回りました。Lore Thijsらは、SLMプロセスを使用してAlSi10Mg合金粉末の成形を研究し、より優れた組織構造のアルミニウム合金部品を得ました。AlSi7Mg、AlSi9Cu3、AlMg 4.5Mn4、6061などの他のアルミニウム合金材料も研究され、適用されています。

超硬合金は、粉末冶金法によって製造される合金材料であり、耐火金属炭化物をベースとし、コバルトまたはニッケルを結合金属として用います。一般に、従来の加工方法では超硬合金を得るのは困難です。現在、WC/Co、TiC/Co、(WC-SiC)/Co、(WC-TiN-SiC)/Co など、さまざまな超硬合金がレーザークラッディング技術によって形成されています。コバルトクロム合金は、優れた耐食性と機械的特性を持つコバルトベースの合金の一種です。添加される合金元素に応じて、CoCrW合金とCoCrMo合金の2つのカテゴリに分類され、工業および医療分野で広く使用されています。市場に出回っているパーソナライズされた磁器の歯はすべてこの合金材料のレーザー成形によって作られており、徐々に市場で支配的な地位を占めるようになりました。上記の合金材料に加えて、積層造形技術には、Cu-Sn、W-Ni、Ni-Al、Nb-Ti-Siなどの金属間化合物材料やいくつかの傾斜材料の形成研究も含まれます。

金属材料は製造業全体を支えており、金属材料の積層造形技術の開発は今日の世界における重要な課題です。多くの研究者がこの分野で研究を行ってきましたが、量的にも質的にもまだ十分とは言えず、産業化されているものはさらに少ないです。科学的研究の観点から見ると、サンプル材料の性能を研究するだけでも、粉末冶金、成形プロセス、熱処理の 3 つのプロセスが必要になります。金属材料自体の価値は非常に高く、研究コストも非常に高く、研究サイクルも非常に長いため、科学研究機関内の研究チームだけに頼って数年以内に体系的な研究作業を完了することは不可能です。

外観形状設計の問題と相まって、金属材料の積層造形技術の研究は巨大な「プロジェクト」と言えるでしょう。工業化への道において、TC4 などの材料は先駆者となってきましたが、その応用上の限界は依然として明らかです。現在、金属付加製造技術を最も多く使用している 2 つの業界は、航空宇宙と医療です。前者は主に国家主導の軍需産業で構成されており、資本が強く心配がありません。後者は利益率の高い有名な産業です。結局のところ、この技術はまだ十分に確立されていません。利用可能な材料は限られており、粉末の研究開発とプロセス制御という 2 つの主要技術はまだ成熟していません。

今後の発展は、「政府、応用、産業、学界、研究」の融合をより重視し、市場志向で、まず金属材料の付加製造プロセスの一連の方法と標準を形成する必要があります。これを基に、重要な問題が徐々に解決され、コストが削減され、金属材料の積層造形技術が旋盤技術のように生活の各分野に適用され、「人に優しい」技術となるでしょう。

編集者: Antarctic Bear 著者: Hu Jie、Liao Wenjun、Ding Liuliu、Hu Yang (上海電気グループ株式会社中央研究所)

【分析】積層造形技術における金属材料の研究の進歩

カリフォルニア大学バークレー校の新しい提携がハードウェアスタートアップに3Dプリントのサポートを提供

Lithoz と Fraunhofer IKTS が、パーソナライズされた骨のためのセラミック 3D プリントアプリケーションを開発

AM テクノロジーはサイバーセキュリティ上のリスクをもたらしますか?米国国防総省は軍隊での3Dプリント推進に障害に直面している

ヨーロッパ初の3Dプリントコンクリート耐荷重構造が誕生、高さは最大4メートル

工業メーカーEOS、降伏強度500Mpaの高強度3Dプリントアルミ合金素材を発売

目録：中国の主要生物3Dプリント企業と技術的優位性

アーク積層造形法で製造した高マンガン鋼の滑り摩耗に関する研究

3Dプリント技術は誰にでも適しているわけではない。同済の名教師が長所と短所を解説

高級ファッションから手術用ロボットまで、XJet金属3Dプリント技術が業界のイノベーションを推進

突破成功！雲耀神威は、その場放射技術に適した一連の光源装置を納入することに成功した。

推薦する

包装業界における3Dプリントの応用

アメリカの科学者が金属3Dプリント部品の内部に気孔が現れる理由を明らかに

ドイツのRepRap社が初の液体積層造形（LAM）生産3DプリンターL280を発売

FILLAMENTUM、高性能エンジニアリングフィラメント「FLUORODUR」を発売

SPEE3Dは金属3Dプリントのプロセスを改善し、異なる金属粉末を混合できる

3Dプリント部品の後処理方法とプロセスの分析

金属3Dプリント粉末メーカーのJinyuan Intelligentが新しいブランドロゴを大々的に発表

Scronaは静電インクジェット印刷を使用して、印刷精度が0.5µmのチップ用マイクロLEDディスプレイを開発しています。

金石3Dプリントソリューションは華南理工大学のチームの加速的な実行を助けます

広州恒尚とEOSが共同で「金属付加製造研究・応用共同実験室」を設立

食べられる4Dプリント！ ? MITが「変形可能な」パスタを開発

高精度の生物学的3Dプリントハイドロゲルは、生活と健康におけるさまざまな応用シナリオを実現します。

企業にとっての3Dプリントのメリット：3Dプリントによる部品点数の削減

ビッグニュース！マイクロソフトは中国で最新の3Dプリント技術プログラムをリリースする予定

BigRep、RAPID+ TCT 2024で新型VIIO 250産業用FFF 3Dプリンターを発表