アモルファス3Dプリンティング - 3Dプリンティングシステムにおける最先端かつ最も有望な技術

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-5-2 15:57 に最後に編集されました。

金属部品の 3D プリント技術は、3D プリントシステム全体の中で最も最先端かつ有望な技術であり、先進製造技術の重要な発展方向です。金属 3D プリントは現在非常に人気があり、多くの企業や政府が金属 3D プリントプロジェクトを立ち上げたり推進したりしていますが、実際に金属 3D プリントを使用して製造されている製品は比較的少ないです。ここでの重要な問題は、依然として技術的な問題です。印刷速度と精度、印刷精度と強度などの相反する技術指標は、メーカーとエンドユーザーを悩ませてきました。もちろん、高度な操作専門知識や高価な原材料などの問題もあり、最終的には様子見になってしまいます。現在の技術状況では、金属 3D プリントのインテリジェントな付加複合技術を開発することが、現在の欠点を効果的に解決するための鍵であり、将来の金属 3D プリントの重要な開発方向です。

なぜアモルファス 3D プリンティングに注目しているのですか?
準安定状態のアモルファス合金を得るにはより速い冷却速度が必要ですが、現在一般的に使用されている銅鋳型鋳造法では、より小さな臨界サイズのアモルファス合金しか製造できません。さらに、バルクアモルファス合金は、室温での脆性の問題が深刻であるため、室温での機械加工が困難です。複雑な形状の部品の金型は製造できないか、製造が困難であるため、精密で複雑なアモルファス合金部品を得ることが困難であり、これがアモルファス合金の応用を制限するもう一つのボトルネックとなっている。したがって、アモルファス合金の臨界サイズ制限をいかに突破し、複雑な部品を製造・加工するかが、関連分野での応用拡大の鍵となります。

近年、レーザー 3D プリント技術の急速な発展により、上記の問題を解決する機会が生まれました。レーザー 3D 印刷技術は、ラピッドプロトタイピング技術の一種です。従来の切削などの機械加工技術とは異なり、レーザー 3D 印刷技術は、デジタルモデルファイルに基づく「付加製造」技術です。これは、「変革」の意義を持つデジタル、短サイクル、低コストの先進的な製造技術です。レーザー3Dプリント技術は、点ごとに個別のクラッド堆積を形成する方法であるため、各点のレーザー加熱面積が小さく、溶融池の熱が基板に急速に拡散し、レーザー溶融池の冷却速度がアモルファス合金の臨界冷却速度よりもはるかに大きくなり、溶融池は凝縮プロセス中に結晶化を回避してアモルファス状態を得ることができるため、サイズ制限のないアモルファス合金を調製することができます。また、レーザー 3D プリントは金属粉末を原料とし、高エネルギーレーザービームで金属粉末を層ごとに溶かして堆積させ、デジタルモデルから直接、1 ステップで高密度、高性能、複雑な金属部品の「ニアネットフォーミング」製造を完了し、複雑なアモルファス合金構造を準備するための理想的な手段を提供します。

したがって、サイズが小さいことや複雑な部品の製造と加工が難しいことなど、アモルファス合金が現在直面している問題を考慮すると、レーザー 3D プリント技術は、上記の問題を解決し、アモルファス合金の大規模な応用を実現する可能性が最も高い技術です。

国内外での進捗状況:
1) 中国はアモルファス3Dプリンティングの研究で進歩を遂げている 私の国は早くからアモルファス3Dプリンティングの研究を開始し、一定の成果を上げています。西北工業大学の楊高林氏らは、プリセット粉末法を用いてZr系アモルファス合金をレーザー3Dプリントした。研究の結果、作製した7層の小型Zr系アモルファス合金のアモルファス相含有量は92％（体積比）に達することが分かった。太原理工大学のGan Yu氏は、プリセット粉末法を用いてZrベースのアモルファス合金をレーザー3Dプリントしました。アモルファス合金の中央部と上部では、化学組成が比較的均一に分布しており、理想的な設計組成に近づきました。華中科技大学の劉林教授の研究グループは、レーザー選択レーザー3Dプリント技術を使用して、Feベースのアモルファス合金を形成しました。彼らは、レーザーオンラインアニーリングと材料複合法を使用して、亀裂の発生を抑制しました。大連交通大学の呂雲卓らは、同軸粉末供給レーザー3Dプリント技術を使用してZrベースのアモルファス合金を形成しました。彼らは、アモルファス合金複合材料を印刷する方法を使用して亀裂を抑制しました。

2) 米国でアモルファス 3D プリントが商業化されようとしている 米国のオハイオ州立大学は、2008年からアモルファス合金のレーザー3Dプリント技術の研究を行っており、CuベースやZrベースのアモルファス合金の3Dプリントで進歩を遂げてきました。最近、米国カリフォルニア工科大学は、アモルファス合金の3Dプリントで大きな進歩を遂げ、発明特許を取得しました。アモルファス金属の製造方法は、金属合金の第1層の表面を高温で溶かし、この溶融金属合金の層を急速に冷却して凝固させ、アモルファス金属の第1層を形成し、これを基に次の層を加工するというものです。この工程では、プラズマ溶射、アーク溶射などの「溶射技術」を使用して各層を塗布します。「スプレー技術」に使用できる原材料には、金属線や金属粉末などがあります。カリフォルニア工科大学によるこの特許の承認により、この技術は正式に商業化段階に入りました。

3) 日本のアモルファス3Dプリンターは販売目標を掲げている
2004年、日本の田中ホールディングス株式会社は、3Dプリント用白金系アモルファス合金粉末を開発し、世界で初めて白金系アモルファス合金のレーザー3Dプリントに成功しました。同時に、田中貴金属工業では、ニッケル基合金に白金、イリジウムを添加した白金族金属粉末材料も開発し、成形品の製造にも成功しています。また、田中貴金属工業は、日本の大阪府立産業技術研究所との共同研究により、粉末の材質や形状に適したレーザーエネルギー照射条件を発見し、白金や白金系アモルファス合金を添加して成形品を製造することに成功しました。田中貴金属工業は、3Dプリンター向けの白金族金属粉末材料を供給し、2020年までに年間4億円の売上目標を掲げている。

4) スウェーデンのアモルファス 3D プリントには特殊な装置がある スウェーデンのテクノロジー系スタートアップ企業Exmetは、2016年からドイツの素材大手Heraeusと提携し、アモルファス金属3Dプリント技術の開発に取り組んできた。Caltechが使用するDED技術とは異なり、Exmetは工場内にEOS M 290金属3Dプリンターを設置し、高性能のアモルファス金属部品を製造している。

5) オーストラリアの非晶質 3D プリントは結晶化に悩まされている 西オーストラリア大学は、選択溶融レーザー3Dプリント技術を使用して、Alベースのアモルファス合金を製造しました。この研究では、適切なプロセスパラメータを使用することで、より高密度でより優れた機械的特性を持つAlベースのアモルファス合金が得られるものの、中国のいくつかの科学研究のように、特定の作業では結晶化を避けることができないことがわかりました。

6) ドイツのアモルファス 3D プリントで鉄ベースの部品を製造 ドイツの科学者らは、レーザー選択溶融法を用いて、複雑な形状の鉄系アモルファス合金のレーザー3Dプリントに成功した。しかし、作製されたアモルファス合金は、成形部品の角やより複雑な形状の領域で結晶化することがわかった。

アモルファス3Dプリント技術の長所と短所、国内外の研究の焦点

アモルファス 3D 印刷技術とアモルファス合金材料は類似した特性を持ち、利点は顕著ですが、欠点も非常に明白です。利点: アモルファス合金のサイズ制限を突破し、複雑なアモルファス合金部品の製造を実現し、コストを増やすことなく複雑なアモルファス合金製品を製造し、アモルファス合金の製造サイクルが短く、製造プロセスが簡単で、廃棄副産物を削減します。欠点: 結晶化段階を避けるのが難しく、欠陥が存在し、組成が不均一で、追加のプロセスが依然として必要になります。

今年、「アモルファス中国産業情報」はイスラエル、日本などの国や、中国国内の深セン、上海、北京、西安などを訪問または交流し、アモルファス3Dプリント技術に関する専門研究を実施しました。我が国は諸外国に比べてこの技術の研究開発を早くから開始し、一定の技術的経験を蓄積してきました。当社の強みは、この取り組みに大規模なチームが取り組んでおり、テクノロジーが絶えず向上していることです。欠点は、我が国の多くの技術がまだ初期段階にあり、一部の研究は多かれ少なかれトレンドを追従したり模倣したりしている点です。アモルファス3Dプリンティングに関する海外の研究では、その有効性と産業化の方向性に重点が置かれています。科学研究者の参加に加えて、3D プリント企業のエンジニアリングおよび技術担当者もさらに参加し、学際的、部門間、および人員間のチームがこの作業を行っていることがわかりました。

アモルファス 3D プリンティングの今後の動向 3Dプリント技術をバルクアモルファス合金の製造に応用することは、アモルファス合金の臨界サイズ制限を突破し、複雑なアモルファス合金部品の製造を実現する実行可能な方法であり、アモルファス業界の次の「雄安」となる可能性があります。しかし、3Dプリント技術を用いてアモルファス合金を作製する場合の致命的な問題は、成形されたアモルファス合金の内部に亀裂や穴などの欠陥があり、応力を受けるデバイスに使用することが難しいことです。アモルファスベースの複合材料は、アモルファス合金のいくつかの性能欠陥を改善し、特にアモルファス合金の室温塑性を改善することができるため、近年、アモルファス合金研究の分野で注目されている。したがって、3D プリント技術を使用してアモルファス複合材料を成形することは、将来的にその実用化を実現するためのブレークスルーの 1 つとなるでしょう。

出典: Amorphous China 詳しい情報:
SmarTech レポート: 金属 3D プリントの歴史的機会と課題

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