3Dプリント金属材料：アルミニウムおよびアルミニウム合金材料

この投稿は Little Raccoon によって 2017-5-6 13:39 に最後に編集されました。

3Dプリントに使用される金属粉末は、一般的に、高純度、良好な球形性、狭い粒度分布、低酸素含有量が求められます。現在3Dプリントに使用されている金属粉末材料には、主にチタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、鉄粉、アルミニウム粉、アルミニウム合金などがあります。また、ジュエリーのプリントに使用される金や銀などの貴金属材料もあります。

金属部品の直接成形に適用できる 3D プリント技術には、SLS (選択的レーザー焼結)、SLM (選択的レーザー溶融)、EBM (電子ビーム溶融)、LENS (レーザーニアネットシェーピング技術) などがあります。ポリマー材料、感光性樹脂材料、無機非金属材料の3Dプリント技術と比較すると、金属3Dプリントの設備価格と運用コストは比較的高く、プロセスも比較的難しいため、3Dプリント分野における金属材料の開発は大きく制限されています。

アルミニウムおよびアルミニウム合金材料アルミニウムは自然界で最も広く分布している金属元素です。地殻中のアルミニウム含有量は約8%（質量）で、酸素とケイ素に次いで多く、地殻中に最も多く含まれる天然元素です。地球上の特定の石英脈や月の土壌には、微量のアルミニウムが自然に存在することが報告されています。アルミニウムを含む鉱物は 250 種類以上知られていますが、最も一般的なものはアルミノケイ酸塩です。アルミニウム合金は、強度を向上させるためにアルミニウムをベースに 1 つ以上の他の元素 (銅、マグネシウム、シリコン、マンガン、亜鉛など) が添加された合金です。アルミニウム合金は耐食性と加工性に優れています。

アルミニウム金属はもともと化学的方法で生産されていました。 1825 年にデンマークの化学者 HC オルステッドが、1827 年にドイツの化学者 F. ヴェーラーがそれぞれカリウムアマルガムとカリウムを使用して無水塩化アルミニウムを還元し、少量の金属粉末を得ました。 1854年、F. ヴェーラーも塩化アルミニウムガスを使って溶融カリウムの表面を通過させ、重さ10～15mgの金属アルミニウムビーズを得ました。これにより、アルミニウムの密度を予備的に測定し、アルミニウムの融点が低く、延性があることに気づきました。アルミニウム電解製錬は、1854年にドイツの化学者RWブンゼンとフランスの化学者SCデヴィルが塩化ナトリウムと塩化アルミニウムの複合塩を別々に電気分解して金属アルミニウムを得たことに始まります。 1854年、SGデヴィルはフランスのパリ近郊に小さなアルミニウム製錬所を設立しました。 1865年、ロシアの化学者HH BeKeTOBは、氷晶石のアルミニウムの代わりにマグネシウムを使用することを提案し、この解決策はドイツのグメリンゲン工場で採用されました。電気分解法が登場するにつれて、化学的方法は徐々に廃止されていきました。化学的アルミニウム製錬期間全体（1854-1895年）を通じて、合計で約200トンのアルミニウムが生産されました。 1883年、アメリカ人のS. ブラッドリーは溶融氷晶石の電気分解に関する特許を申請しました。
HC オルステッド
中国国内では、アルミニウムの製錬実験は 1934 年に天津の黄海化学工業協会で始まり、800A の予備焼成陽極電解セルを使用して金属アルミニウムを製錬しました。新中国の建国後、中国のアルミニウム産業は急速に発展した。
アルミニウム

従来のアルミニウム合金鋳造技術には多くの欠陥があります。鋳造アルミニウム合金の生産および製造における欠陥は、主に次の 2 つの側面に反映されます。
（１）鋳造工程では、ずれ、寸法の不一致、注湯不足、気孔、スラグ混入、ピンホールなど多くの欠陥が発生します。これらの欠陥により、鋳造工程のスクラップ率は15％以上になります。（２）鋳造工程における冷却速度が遅いため、アルミニウム合金の結晶粒が異常に成長し、合金元素が偏析し、アルミニウム合金の機械的性質に重大な影響を及ぼす。さらに、鋳造アルミニウム合金は適用プロセス中に溶接性が悪く、崩壊、熱亀裂、気孔、溶け落ちなどの欠陥が発生しやすい。同時に、アルミニウムの酸化、合金元素の燃焼と蒸発が発生し、溶接性能が低下します。アルミニウム合金の現在の接続問題も、その適用を制限するボトルネックとなっています。

伝統的な鋳造成形プロセスは、インゴット鋳造から機械加工、最終実部品に至るまで、完了までに複数のステップが必要であり、材料利用率が低いです。一部の複雑な部品の材料利用率はわずか10％程度であり、鋳造プロセスは金型に対して非常に高い要求を持っています。複雑度の高い一部の小型部品の場合、鋳造法を使用して成形することは不可能です。そのため、特定の分野（航空宇宙部品、複雑な自動車部品、鉱物処理における特殊形状の流動部品など）における鋳造などの従来の成形加工方法の限界がますます明らかになりつつあります。

3D プリント技術は、前述の鋳造プロセスで発生する欠陥の一部を具体的に解決し、鋳造プロセスでは処理が困難または不可能な特殊部品の成形および加工ニーズを満たすことができます。工業化の加速に伴い、アルミニウム合金部品の構造と鋳造性能に対する人々の要求も高まっており、現在、アルミニウム合金構造部品の開発動向は、複雑な形状の構造部品の全体的な成形とインテリジェントなプロセスフローになっています。複雑な形状、正確な寸法、小さな薄肉、全体的に余分なもののない部品の迅速な生産は、今後のアルミニウム合金部品加工の発展方向となるでしょう。

利点と技術的制限3Dプリントにおけるアルミニウムの利点:
1. 融点が低い。アルミニウムは融点が低いため、3D プリントのレーザー焼結温度は他の金属材料よりもはるかに低くなります。 2. 密度が低い。アルミニウムは軽量構造物の製造に使用でき、「空飛ぶ金属」として知られています。そのため、オブジェクトを印刷するときに必要なサポート要件は、他の金属材料よりも低くなります。 3. 強化できる。純粋なアルミニウムは強度があまりありませんが、さまざまな元素を加えてアルミニウム合金にすることで強度を高めることができます。 4. 可塑性が良く、加工しやすい。アルミニウムはチューブやフィラメントに引き伸ばされ、さまざまな形状に押し出されます。 FDM印刷にアルミニウム材料を使用する研究の報告もあります。

3D プリントにおけるアルミニウムの適用の欠点:
1. 化学活性が高い。アルミニウムは粉末にすると表面積が増加し、化学活性がさらに高まり、燃えやすくなり、加工安全性が低くなります。 2. 強度が低く、機械的性質が悪い。 3. アルミニウム表面に緻密で強固な酸化アルミニウム膜が形成されやすく、焼結が困難になります。
アルミニウム合金材料は、上記の欠点をある程度克服することができます。アルミニウム合金材料は、密度が軽く、弾性が良好で、比剛性と比強度が高く、耐摩耗性と耐腐食性が良好で、耐衝撃性が良好で、電気伝導性と熱伝導性が良好で、成形性と加工性が良好で、リサイクル性と再生性に優れているなど、一連の優れた特性を備えています。アルミニウム合金材料は多くの分野で使用されています。電気伝導性が優れているため、銅の代わりに導電材料として使用できます。アルミニウムは熱伝導性が良く、機械ピストン、熱交換器、炊飯器、電気アイロンの製造に最適な材料です。アルミニウム合金は、アルミニウムドアや窓、構造部品、装飾パネル、アルミニウムカーテンウォールなどの建設業界でも使用されています。航空宇宙、造船、石油、国防軍事産業では、より高精度のアルミニウム合金材料が必要です。超音速航空機は約 70% がアルミニウムとその合金で構成されています。造船業において、大型客船に使用されるアルミニウムの量は数千トンに達することも珍しくありません。

2015年、英国のエアバス・ディフェンス・アンド・スペース社は、アルミニウムを使用した初の航空宇宙品質の3Dプリント部品を製造したと発表した。この部品は、英国国家宇宙技術計画に基づく2年間の研究開発プロジェクトの成果です。英国国家宇宙技術プログラムは、Innovate UK と英国宇宙庁の共同イニシアチブです。
アルミニウム 3D プリント部品の 3D モデリング

研究チームによれば、これらの新しい3Dプリント部品は従来の製造方法では作れないという。これらには、航空機グレードのアルミニウム合金を使用して構築された構造ブラケットが含まれています。この 3D プリントされた航空宇宙グレードのブラケットは、SLM レーザー溶融法を使用して 1 段階で製造され、従来のブラケットよりも 35% 軽量です。 4 つの個別の部品の機能を置き換え、44 個のリベットが含まれています。それに比べて、3D プリントされた部品は 40% 硬くなり、製造プロセスでは従来の技術のように多くの材料廃棄物が発生しません。
英国国家宇宙技術計画によって開発された航空宇宙部品

産業用 3D プリンターの場合、3D プリント材料の強靭性は、広く使用されるかどうかを決定する重要な要素です。米国パデュー大学の研究助手兼実験技術者であるダロン・P・ライルズ氏は、格子構造の概念実証を行うために、アルミニウム合金から格子構造の立方体を3Dプリントした。このアルミニウム合金格子の強度をテストするために、ライルズ氏と彼のチームは、3.9 グラムの 3D プリント立方体に対して圧縮テストを実施しました。最終結果では、格子が支えられる最大重量はほぼ 900 ポンド (408 キログラム) であることが示されました。つまり、この小さな立方体構造は、自身の重量の 104,615 倍に耐えることができます。

ライルズ氏は、この格子構造は軽量で硬度も優れているため、将来的には医療分野だけでなく、建築や工学分野でも応用の見通しが良好だと述べた。
アルミニウム格子構造（画像提供：3D Science Valley）

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3Dプリントされたアルミニウムアートワーク SLS（選択的レーザー焼結法）を使用して印刷されたアルミニウム工業製品

アルミニウムで印刷された工業製品

3D プリントされたアルミボトルオープナー (画像提供: Shapeways)

3Dプリントされたアルミニウムのトナカイ（バーミンガム大学）

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