デスクトップメタルはバインダージェット技術を使用して機能性セラミック部品の生産を最適化し、LPBFよりも100倍効率的です。

この投稿は warrior bear によって 2024-8-14 19:34 に最後に編集されました。

はじめに: 積層造形は、機能性セラミック部品を製造するための最も効果的な方法の 1 つになっています。機能性セラミックスは、優れた硬度と耐高温性、さらに耐腐食性と耐摩耗性にも優れた材料群です。しかし、これらの材料は切断や成形が難しく、溶解にはチタンよりも高い温度が必要であるため、これらの特性は従来の製造プロセスにも大きな課題をもたらします。したがって、付加製造、特にバインダージェッティングは、効率的な生産サイクルとコストを維持しながら、R&D から航空宇宙、従来の製造など、機能性セラミックスの有益な特性を活用したいと考えている人々に新たな機会を提供します。
2024 年 8 月 14 日、Antarctic Bear は、特許取得済みの Triple ACT バインダージェッティングソリューションをベースにした Desktop Metal が、複合材料や金属から、炭化ケイ素 (SiC) や炭化タングステンコバルト (WC-Co) などの最も硬い機能性セラミックスまで、さまざまな材料を処理できることを知りました。この技術は、印刷速度が速いこと（ LPBF システムの 100 倍の速さで部品を製造可能）と、厳しい許容差（最適化された生産実行で 1% 未満の寸法許容差）で複雑な形状を印刷できることでも知られています。

この記事では、機能性セラミックの製造におけるバインダージェッティングの利点をさらに探り、TECNALIA および SENER Aerospacial と提携して実施した航空宇宙産業のケーススタディや、同社のセラミックバインダージェッティングソリューションを活用したその他の使用例を通じて、Desktop Metal の高度なセラミックバインダージェッティング機能を説明します。
宇宙用途向けシリコンカーバイド（Si-SiC）
スペインに拠点を置くヨーロッパのベンチマーク研究・技術開発センターであるTECNALIAは、機能性セラミックのバインダージェッティングにおけるDesktop Metalの主要パートナーになりました。セラミックスなどの先端材料に関する深い知識を持つチームによって運営されているこのセンターは、最適化された衛星光学マウントの開発においてエンジニアリング会社 SENER Aerospacial と欧州宇宙機関 (ESA) を支援するよう依頼されました。
△積層造形に最適化された設計により質量が 15% 削減され、バインダージェッティングを使用した最適化された生産により最終研磨時間が 35% 短縮されました。
このコラボレーションの目標は、製造された部品が宇宙の過酷な条件に耐え、高い寸法精度、高い熱膨張係数 (CTE)、および全体的に強力な機械的特性を提供できる生産プロセスを見つけることです。最も重要なのは、航空宇宙パートナーがコンポーネントの重量を最小限に抑えてペイロードのコストを削減したいと考えていることです。したがって、シリコンと炭素の化合物から作られた強力で軽量な機能性セラミックであるシリコンカーバイド (SiC) は、この用途に最適な選択肢です。
それでも、シリコンカーバイドは極めて硬いため、従来の製造プロセスでは、それを成形する際に課題に直面します。「冷間成形や焼結などの従来の製造プロセスを使用する場合、形状の複雑さは制限されます」と、TECNALIA のプロジェクトマネージャー兼チームリーダーである Iñigo Agote 博士は述べています。「形状が複雑な場合、部品には最終的な機械加工が必要になり、シリコンカーバイドなどのセラミックの機械加工は困難で費用のかかるプロセスです。」
その結果、SiC 部品を形成するための選択肢として積層造形法が検討され始め、最終的にバインダージェッティングが最も実行可能なプロセスであることが判明しました。これは、バインダージェッティングでは、SiC を処理する際に他の付加製造プロセスと同じ問題に直面しないからです。たとえば、SLA などの硬化を必要とする技術は、粉末の濃い色が紫外線では硬化しないため SiC には適していません。また、レーザーベースのプロセスは、材料を溶かすのに高温が必要なため実行可能ではありません。
トリプル ACT バインダージェッティングテクノロジー<br /> バインダージェッティングが明確な前進方法として確立されたため、TECNALIA は、2016 年から市場に出回っているコンパクトなシステムである Desktop Metal の InnoventX システムを使用して、最適な SiC 粉末とプロセス制御を特定し始めました。 InnoventX は Desktop Metal の X シリーズの一部であり、同社の特許取得済みの Triple ACT バインダージェッティングテクノロジーに基づいています。
トリプルACT （Advanced Compaction Technology）は、アルミニウムや銅からサーメット、SiCなどの機能性セラミックスまで、幅広い高品質材料を加工できるバインダージェッティング方式です。この汎用性は、粉末の分布、拡散、圧縮の問題に対処するさまざまな技術を使用することで実現され、薄く均一な粉末層の堆積を容易にします。
Triple ACT テクノロジーの最初のステップは、超音波振動ディスペンシングスクリーンを備えたホッパー設計を使用して、プリントベッド全体にわたって粉末の投与量を制御できるようにする独自のディスペンシングプロセスです。ふるいは、流動性の異なる粉末に合わせて調整することもできます (つまり、細かい粉末は流動性が低く、粗い粉末は流動性は高いものの焼結が困難です)。 2 番目のステップである塗布は、粉末を圧縮せずにプリントベッド全体に均一に塗布する、独自のローレットデザインのローラーによって実行されます。最終的に、デスクトップメタルは、下の層に影響を与えず、均一に広がった粉末を動かさずに粉末粒子を圧縮する圧縮ローラーを開発しました。
InnoventX は材料開発や製品開発に最適ですが、アプリケーションの拡張準備が整ったら、Desktop Metal の X シリーズには、より高い生産ニーズを満たすことができる他のシステムもあります。具体的には、X25 Pro はビルドボリュームが 400 x 250 x 250 mm の中型バインダージェッティングシステムであり、より大型の X160 Pro はビルドボリュームが最大 800 x 500 x 400 mm です。
重量とコストを節約<br /> SiC 衛星光学マウントを開発する際、TECNALIA はまずさまざまな SiC 粉末グレードを評価し、そのレオロジー特性、ハウスナー比、結合指数を比較しました。これらのさまざまなテストの結果により、TECNALIA は、印刷可能で焼結後の収縮が最小限である機能性セラミックに最適な粉末グレードを特定することができました。この調査の鍵となったのは、InnoventX のカスタマイズ可能な印刷パラメータであり、これにより TECNALIA チームは、問題のアプリケーションに適した印刷設定を見つけることができました。最終的に、ほぼネットシェイプの衛星光学ブラケットがわずか 3 時間で印刷されました。

TECNALIA は、バインダージェットセラミック部品の複数の後処理オプションも活用し、ポリマー注入および熱分解 (PIP) サイクルと毛細管液体シリコン浸透 (CLSI) を使用して、最終部品の密度を高めます。その他の種類の用途では、デスクトップメタル SiC 部品は、反応結合 SiC (RBSiC)、SiC 蒸着 (PVD または CVI)、SiC 液体金属浸透 (SiSiC または AlSiC)、SiC 結合 (多くの場合、特性強化のために窒化物やムライトなどの材料を使用)、および SiC 完全焼結など、さまざまな方法で処理できます。 PIP と CLSI の後、TECNALIA は研磨などの最終工程を適用します。印刷物の表面品質が優れているため、従来の SiC 部品よりも 35% 時間が短縮されます。
最終的に、TECNALIA は CTE 仕様を満たし、等方性特性と残留応力のない Si-SiC 部品を提供することができました。軽量化の点では、3D プリント設計により質量を 15% 削減でき、宇宙ミッションのペイロードコストに影響を与えます。アゴテ博士は、このケーススタディを次のように要約しました。「バインダージェッティングプロセスにより、最終的なコンポーネントの形状と表面品質の仕様に近い部品を得ることができ、最終操作に関連するコストを大幅に削減できました。」
現在、TECNALIA は InnoventX プラットフォームでの開発を継続し、バインダージェッティング用の SiC 材料のほか、炭化タングステンコバルト (WC-Co) やアルミナなどのその他の機能性セラミックスの開発に取り組んでいます。
新しい用途、新しい素材など<br /> Desktop Metal は、他の顧客やパートナーと協力して、機能的なセラミックバインダージェッティングアプリケーションの開発に取り組んでいます。例えば、同社は最近、革新的な FAST/SPS プロセス (電界支援焼結技術/放電プラズマ焼結) をサポートするフランスの Norimat 社主導のプロジェクトを発表しました。 Norimat 社は、Desktop Metal 社の InnoventX システムとシリコンカーバイド粉末を使用して、タービンブレード、ラティスギア、切削工具など、要求の厳しい数多くの部品を製造しています。その後、Norimat は SPS 技術を使用して、後処理を介さずに効率的に印刷コンポーネントを高密度化します。
△タービンブレード、ラティスギア、切削工具などの高性能SiC部品は、InnoventXの顧客であるNorimat社によって、放電プラズマ焼結（SPS）技術を使用して部品の密度を高めて製造されています。
3D プリントされたシリコンカーバイドのもう 1 つの注目すべき用途は、Ultra Safe Nuclear (USNC) によって開発されており、核燃料粒子を取り囲むために原子力グレードの SiC 粉末から作られたカスタム部品を設計するものです。
タングステンカーバイドコバルト (WC-Co) は、硬質セラミック (タングステンカーバイド) とコバルト金属で構成されたサーメットで、Desktop Metal のバインダージェット技術を使用して処理することもできます。この材料は硬い性質のため、機械加工や製造に使用でき、特に切削工具や穴あけ工具の製造に適しています。 TECNALIA は、SiC 事業に加えて、WC-Co にも取り組んでおり、冷却チャネルを内蔵し、形状をカスタマイズした掘削ツールを開発しています。フラウンホーファーIKTSはバインダージェッティングとWC-Coについても調査を行っており、特に「WC-Co出発粉末のさまざまな形態、[バインダージェッティング]を使用した加工性、および焼結部品の最終的な機械的特性間の相関関係」に重点を置いています。具体的には、研究者らは、AM 専用の WC-Co 粉末と市販の WC-Co 出発材料の両方がバインダージェッティングに適していることを発見しました。
従来の方法では製造できないコンフォーマル冷却チャネルは、TECNALIA の InnoventX を使用して製造されたこのドリルのように、バインダージェット 3D プリントされた WC-Co ツールに簡単に統合できます。
Desktop Metal 自体は、ドイツのゲルストホーフェンにある欧州本社でセラミック積層造形アプリケーションの開発を進めています。そこで、さまざまなバインダージェット印刷システムにより、セラミックの用途を拡大することが可能になります。
アルミナ（Al₂O₃）、窒化アルミニウム（AlN）、アルミニウム浸透炭化ホウ素（B4C）、凝縮炭化ホウ素（10B4C）、窒化ホウ素（BN）、炭素（C）、ガラス（SiO2）、石英砂（天然および合成）などの他のセラミックベースの材料も、デスクトップメタルバインダージェッティングを使用して3Dプリントすることができ、さらにセラミック粉末がR＆D顧客に提供されています。
最終的に、Desktop Metal のバインダージェッティングテクノロジーを使用して、従来は困難であった機能性セラミックを印刷できるようになったことで、セラミック AM の新たな領域が開かれ、高度な製造のための多くの刺激的な新しいアプリケーションが実現する可能性があります。
この記事はもともと、VoxelMatters の VM Focus Ceramics eBook に掲載されました。こちらのリンクをクリックすると、電子書籍全文を無料で読んだりダウンロードしたりできます: https://www.voxelmatters.com/wp-content/uploads/2024/07/VoxelMatters-VMFocus2024-eBook-Ceramic-AM.pdf

デスクトップメタルはバインダージェット技術を使用して機能性セラミック部品の生産を最適化し、LPBFよりも100倍効率的です。

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