金属3Dプリント技術とその特殊粉末の研究の進歩

近年、3Dプリント技術は徐々に実際の製品の製造に応用されるようになり、その中でも金属材料の3Dプリント技術は特に急速に発展しています。国防の分野では、欧米の先進国は3Dプリント技術の発展を非常に重視しており、研究に巨額の資金を投資する用意があります。3Dプリントされた金属部品は常に研究と応用の焦点となっています。金型や自転車だけでなく、銃などの武器、さらには自動車や飛行機などの大型機器も印刷できます。 3Dプリンティングは新しい製造技術として、非常に幅広い応用展望を示しており、機器の設計と製造、機器のサポート、航空宇宙など、より多くの分野で強力な発展の勢いを示しています。

1 3Dプリントの概要
1.1 基本概要
3Dプリント技術の核となるアイデアは19世紀後半に米国で生まれましたが、1980年代半ばまで形になりませんでした。1986年、アメリカ人のチャールズ・ハルが最初の3Dプリンターを発明しました。私の国では、1991 年に 3D プリント技術の研究が始まりました。2000 年頃には、これらの技術は実験室での研究からエンジニアリング、製品化へと発展し始めました。当時はラピッドプロトタイピング（RP）と呼ばれ、サンプルを開発する前の物理モデルのことでした。現在ではラピッドプロトタイピング技術や積層造形とも呼ばれています。しかし、一般の人々に受け入れやすくするために、この新しい技術は総称して 3D プリンティングと呼ばれています。 3D プリンティングはラピッドプロトタイピング技術の一種で、デジタルモデル設計をベースとして、粉末金属や樹脂などの接着材料を使用して、層ごとに「付加的」印刷することで立体物を構築する技術です。 3D プリンティングは、「前世紀のアイデアと技術、今世紀の市場」と呼ばれています。さらに、中国は最近、3Dプリント航空宇宙分野で大きな進歩を遂げました。中国の航空宇宙産業は新たな進歩を遂げ、3Dプリント部品の重量を3kgから600gに減らし、80%の軽量化を実現しました。

1.2 3Dプリントの特徴
1) 高精度。現在、3Dプリンターの精度は基本的に0.3mm以下に制御可能です。
2) サイクルが短い。 3D プリントでは型を作る必要がないため、モデルの製造時間が大幅に短縮されます。通常、モデルは数時間から数十分で印刷できます。
3) パーソナライズが可能です。 3D プリンティングでは、印刷できるモデルの数に制限はなく、同じコストで 1 つでも複数でも作成できます。
4) 素材の多様性。 3D プリントシステムはさまざまな材料を印刷できることが多く、この材料の多様性によりさまざまな分野のニーズを満たすことができます。
5) コストが比較的低い。 3D プリントシステムと 3D プリント材料は現在比較的高価ですが、パーソナライズされた製品の製造に使用する場合、生産コストは比較的低くなります。

2 金属3Dプリント技術<br /> Antarctic Bear は以前、さまざまな金属 3D 印刷プロセスについて詳しく書いています。
目録: 世界の金属 3D プリント企業とコアテクノロジー
SLMレーザー選択溶融金属3Dプリント技術の詳細な説明
EBM電子ビーム溶融金属3Dプリント技術の詳しい説明
SLM と EBM 金属 3D 印刷プロセスの比較

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。科学技術の発展と推進・応用の需要に伴い、ラピッドプロトタイピングによる金属機能部品の直接製造がラピッドプロトタイピングの主な発展方向となっています。現在、金属機能部品を直接製造するために使用できるラピッドプロトタイピング方法には、主に選択的レーザー溶融法 (SLM)、電子ビーム選択溶融法 (EBSM)、レーザーエンジニアリングネットシェーピング法 (LENS) などがあります。
2.1 レーザーエンジニアリングネットシェーピングテクノロジー（LENS）
LENS は、米国のサンディア国立研究所によって初めて提案された新しいラピッドプロトタイピング技術です。特徴としては、複雑な形状や構造を持つ金属機能部品や金型を直接製造できること、加工可能な金属や合金材料の範囲が広く、異種材料の部品を製造できること、融点が高く加工が難しい材料も容易に加工できることなどが挙げられます。
LENSはレーザークラッディング技術をベースに開発された金属部品の3Dプリント技術です。中出力および高出力レーザーを使用して、同期して供給される金属粉末を溶かし、事前に設定された軌道に従って基板上に層ごとに堆積させて、最終的に金属部品を形成します。 1999 年、LENS プロセスは、アメリカの産業界における「最も創造的な 25 のテクノロジー」の 1 つに選ばれました。海外の研究者らは、LENSプロセスで作製されたオーステナイト系ステンレス鋼の試験片の硬度分布を研究した。その結果、処理層の数が増えるにつれて、試験片のビッカース硬度が低下することが分かった。
海外の研究者は、LENSプロセスを応用して、荷重支持インプラント用の多孔質で機能的に傾斜した構造を作製しました。使用される材料は、人体との適合性に優れたNiやTiなどの合金です。作製されたインプラントの多孔度は最大70％に達し、耐用年数は7〜12年に達します。クリシュナらは、Ti-6Al-4VおよびCo-Cr-Mo合金を使用して多孔質生体インプラントを作製し、インプラントの機械的特性について研究しました。その結果、多孔度が10%のとき、ヤング率は90GPaに達し、多孔度が70%のとき、ヤング率は2GPaに急激に低下することが分かりました。このように、多孔度を変えることで、インプラントの機械的特性を生物に適応させることができます。 ZhangらはメッシュFeベース（Fe-B-Cr-C-Mn-Mo-W-Zr）金属ガラス（MG）部品を作製し、MGの微小硬度が9.52 GPaに達することを発見しました。 Li氏は、一方向凝固高温合金GTD-111をLENSプロセスで修復した。中国の薛春芳らは、LENS プロセスを使用して、微細構造、微小硬度、機械的特性に優れたメッシュ状の Co 基高温合金薄肉部品を実現しました。 Fei Qunxing らは LENS プロセスを使用して、変形のない Ni-Cu-Sn 合金サンプルを形成しました。

LENS システムでは、同軸粉末フィーダーは、粉末フィーダー、粉末供給ヘッド、保護ガス回路の 3 つの部分で構成されます。粉末供給装置は粉末ボックスと粉末定量供給機構で構成されており、粉末の流量はステッピングモーターの回転速度によって決まります。金属粉末の自重による流動性を高めるため、粉末供給装置を高さ2.5mに設置しました。粉末供給装置から流出した金属粉末は、粉末分割装置によって4つに均等に分割され、ホースを通って粉末ヘッドに流入します。粉末ヘッドのノズルから金属粉末がレーザー焦点の位置まで噴射され、溶融堆積プロセスが完了します。粉末経路全体はシールドガスによって駆動され、金属粉末を空気から隔離して、金属粉末の酸化を防ぎます。 LENS システムの同軸粉末供給装置構造の概略図を図 1 に示します。現在、ラピッドプロトタイピング技術は徐々に成熟しており、先進国もレーザーエンジニアリングネットシェーピング技術を研究の重点とし、かなりの成果を上げています。実用化においては、この技術は機能性複合材料の製造に利用でき、高付加価値チタン合金ブレードの補修に利用できるほか、ヘリコプター、旅客機、ミサイルの製造にも活用できる。さらに、この技術は生体インプラントの分野にも応用でき、人体と適合性のあるNiやTi材料を使用してインプラントを作製することで、多孔性を効果的に高め、インプラントの使用時間を延長することができます。

2.2 選択的レーザー溶融（SLM）
SLM は金属 3D プリントの分野で重要な部分であり、その開発プロセスは、低融点の非金属粉末の焼結、低融点コーティングされた高融点粉末の焼結、高融点粉末の直接溶融および成形の段階を経てきました。テキサス大学オースティン校は1986年に初めて特許を申請し、1988年に最初のSLM装置の開発に成功しました。この装置は、微細に焦点を絞ったスポットを使用して、あらかじめ設定された粉末材料を30〜51μmに急速に溶かし、ほぼあらゆる形状で完全な冶金結合を備えた機能部品を直接得ることができます。密度はほぼ100％に達し、寸法精度は20〜50μm、表面粗さは20〜30μmに達し、大きな発展の見込みがあるラピッドプロトタイピング技術です。
SLM 成形材料は、主にオーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル基合金、チタン基合金、コバルトクロム合金、貴金属などの単成分金属粉末です。レーザービームは金属粉末を急速に溶かし、連続した溶融経路を獲得し、ほぼあらゆる形状、完全な冶金結合、高精度のほぼ高密度の金属部品を直接得ることができます。これは、大きな発展の見通しを持つ金属部品の 3D 印刷技術です。その応用範囲は、航空宇宙、マイクロエレクトロニクス、医療、宝石などの産業にまで拡大しています。

SLM プロセスには 50 を超える影響要因があり、材料特性、レーザーおよび光路システム、スキャン機能、成形雰囲気、成形の幾何学的特徴、および設備要因の 6 つのカテゴリが成形効果に重要な影響を及ぼします。現在、国内外の研究者らは、主に上記影響因子に関するプロセス研究と応用研究を行っており、成形工程で発生する欠陥を解決し、成形部品の品質を向上させることを目指しています。プロセス研究の観点から、SLM 成形プロセスにおける重要なプロセスパラメータには、レーザー出力、スキャン速度、粉末層の厚さ、スキャン間隔、スキャン戦略が含まれます。さまざまなプロセスパラメータを組み合わせることで、成形品質を最適化できます。

SLM 成形プロセスにおける主な欠陥は、球状化と反りです。球状化とは、成形プロセス中に上層と下層が不完全に溶融することです。表面張力の影響により、溶融した液滴はすぐに球状に転がり、球状化が発生します。球状化を回避するには、入力エネルギーを適切に増加する必要があります。反り変形は、SLM成形工程における熱応力が材料の強度を超え、塑性変形を起こすことで発生します。残留応力の測定は難しいため、SLM工程の反り変形に関する現在の研究は主に有限要素法を用いて行われ、その後、シミュレーション結果の信頼性は実験によって検証されています。 SLM 技術の基本原理は、まずコンピューター上の Pro/e、UG、CATIA などの 3D モデリングソフトウェアを使用して部品の 3D ソリッドモデルを設計し、次にスライスソフトウェアを使用して 3D モデルをスライスおよびレイヤー化し、各セクションの輪郭データを取得し、輪郭データから充填スキャンパスを生成することです。装置はレーザービームを制御して、これらの充填スキャンラインに従って金属粉末材料の各層を選択して溶かし、徐々に 3D 金属部品に積み重ねます。
図2は成形原理図です。レーザービームがスキャンを開始する前に、粉末散布装置はまず金属粉末を成形シリンダーのベースプレートに平らに押し付けます。次に、レーザービームは現在の層の充填スキャンラインに沿って、ベースプレート上の粉末を選択的に溶かして現在の層を加工します。次に、成形シリンダーは1層の厚さの距離だけ下降し、粉末シリンダーは一定の厚さだけ上昇します。次に、粉末散布装置は加工された現在の層に金属粉末を散布し、設備は次の層の輪郭データを呼び出して加工します。このプロセスは、部品全体が完成するまで層ごとに繰り返されます。処理プロセス全体は、金属が高温で他のガスと反応するのを防ぐために不活性ガスで保護された処理チャンバー内で実行されます。レーザー選択溶融技術を広く利用している代表的な国としては、ドイツやアメリカなどが挙げられます。各社とも異なる製造モデルを開発しており、個別のニーズに合わせて実際の状況に基づいて具体的に部品を作成することもできます。 EOSING M270 装置で成形される金属部品はサイズが小さく、歯科用ブリッジやクラウンの大量生産に適用しても、人体の使用に影響を与えず、不快感も生じません。密度は 100% に近く、精細度も良好です。同時に、SLM技術を使用して製造されたチタン合金部品は医療用インプラントにも使用でき、医療分野の発展を促進します。

2.3 電子ビーム選択溶融（EBSM）
EBSM は高エネルギー電子ビームを加工熱源として使用します。磁気偏向コイルを操作することで、スキャンと成形を行うことができます。電子ビームの真空環境により、液相焼結または溶融中に金属粉末が酸化されるのを防ぐこともできます。電子ビームの上記の利点を考慮して、スウェーデンのArcam、清華大学、マサチューセッツ工科大学、NASAのラングレー研究センターは、それぞれ独自の電子ビーム高速製造システムを開発しました。最初の2つは、作業面に広げられた金属粉末を電子ビームで溶かします。これはレーザー選択焼結技術に似ています。後の2つは、金属線を電子ビームで溶かします。電子ビームは固定されており、金属線は線材供給装置と作業台を通って移動します。これはレーザーネットシェーピング製造技術に似ています。

EBSM 技術は、1990 年代半ばに開発された金属 3D 印刷技術です。SLM/DMLS システムとの主な違いは熱源であり、成形原理は基本的に同様です。レーザーをエネルギー源として使用する金属部品の 3D 印刷技術と比較して、EBSM プロセスには、エネルギー利用率が高い、反射がない、電力密度が高い、焦点を合わせやすいなど、多くの利点があります。現在利用可能な数十種類の 3D プリント方法の中で、EBSM 技術は金属部品を直接形成できるため、大きな注目を集めています。

海外ではEBMプロセスに関する理論的研究が比較的早くから行われており、スウェーデンのArcam AB社はEBSM装置EBM S12シリーズを商品化しました。しかし、国内でのEBSMプロセスの研究は比較的遅れて始まりました。 Heinl らは Ti6-Al4-V を使用し、Ramirez は Cu を使用し、Murr は Ni ベースおよび Co ベースの高温合金を使用し、Hernandez らは TiAl を使用して一連のオープンハニカム構造を準備しました。予め設定された弾性率Eを変更することで、異なるサイズの気孔を得ることができ、構造体の密度を低減し、軽量な構造体を得ることができる。 KNAmatoらは、Coベースの高温合金マトリックス粒子を使用して柱状の炭化物堆積構造を調製した。

ラミレスらは Cu2O を使用して新しい方向性微細構造を作製し、その作製プロセス中に高純度銅に柱状の Cu2O が沈殿することを発見しました。 Liu Haitao らは、プロセスパラメータが電子ビーム選択溶融プロセスに与える影響を研究しました。その結果、走査線幅は電子ビーム電流、加速電圧、走査速度と明らかな線形関係にあることが示されました。オーバーラップ率と走査経路を調整することで、より良い層品質が得られます。 Suo Hongboらは、EBSMで作製したTi-6Al-4V試験片の硬度や引張強度などの機械的特性について研究しました。その結果、成形プロセス中にAl元素が大幅に失われ、酸素含有量とAl含有量が低いと可塑性が向上し、同一平面内および堆積高さ方向の硬度に明らかな差はなく、どちらも焼きなまし圧延板の硬度レベルよりも高かったことがわかりました。電子ビーム照射により金属粉末が溶融する原理を利用し、まず粉末を粉末塗布面に塗布して圧縮し、次にコンピュータ制御により断面プロファイルの情報に基づいて電子ビームが選択的に溶融/焼結し、部品全体が完全に溶融/焼結されるまで層ごとに積み重ねていきます。

EBSM 技術には主に粉末供給、粉末拡散、溶融などのプロセスステップが含まれるため、真空チャンバーには粉末供給機構、粉末回収ボックス、成形プラットフォームが装備されている必要があります。同時に、電子銃システム、真空システム、電源システム、制御システムも含める必要があります。制御システムは、図３に示すように、スキャン制御システム、動作制御システム、電力制御システム、真空制御システム、および温度検出システムを含む。スウェーデンのArcam社が製造したS12装置は、電子ビーム選択溶融技術の実用化の最良の例です。同社は2003年からこの技術の研究を開始し、さまざまな分野と連携しながら研究を進めてきた。現在、EBSM技術はバイオメディカル分野で広く利用されており、関連部門は航空宇宙分野での応用を積極的に研究しています。米国の宇宙船に関する研究は、航空機やロケットエンジンの構造製造と、月面や宇宙ステーション環境での直接金属成形製造に重点を置いています。

3. 3Dプリント材料のブレークスルーが開発の基盤となる
3D プリント材料は、3D プリント技術の発展にとって重要な材料基盤です。ある程度、材料の開発によって、3D プリントの応用範囲が広がるかどうかが決まります。現在、3Dプリント材料には主にエンジニアリングプラスチック、感光性樹脂、ゴム材料、金属材料、セラミック材料が含まれます。また、着色石膏材料、人工骨粉末、細胞生物原料、砂糖などの食品材料も3Dプリントの分野で使用されています。 3D プリントで使用される原材料は、3D プリントの機器とプロセス用に特別に開発されており、通常のプラスチック、石膏、樹脂などとは異なります。その形状は、一般的に粉末、フィラメント、層、液体などです。一般的に、印刷装置の種類や動作条件に応じて、使用される粉末状の 3D 印刷材料の粒子サイズは 1 ～ 100 μm の範囲です。粉末の良好な流動性を維持するために、粉末は一般に高い真球度を持つことが求められます。

3D プリント材料の研究開発とブレークスルーは、3D プリント技術の推進と応用の基盤であり、印刷ニーズを満たすための基本的な保証でもあります。一つ目は、材料の研究開発を強化し、完全な印刷材料システムを形成することです。近年、3Dプリント材料は急速に発展しています。2013年には金属材料の印刷が28％増加し、2014年には30％を超え、3Dプリント材料の約12％を占めました。金属材料は主にチタン、アルミニウム、鋼、ニッケルなどの合金です。チタン合金、高温合金、ステンレス鋼、金型鋼、高強度鋼、合金鋼、アルミニウム合金はすべて印刷材料として使用でき、機器の製造や修理、再製造に広く使用されています。しかし、現在 3D プリント材料システムは存在せず、既存の材料は 3D プリントのニーズを満たすにはほど遠い状態です。

レーザー光造形法に使用される材料は主に不活性金属材料です。次のステップは、他の活性金属印刷材料を試すことです。粉末冶金で使用される従来の金属粉末は、3Dプリントの要件を完全に満たすことができず、現在、印刷に使用できる金属材料の種類は少なく、価格も比較的高価です。海外には米国のSulzer Metco社やスウェーデンのSandvik社など、3Dプリント用の金属粉末を専門に扱う企業がいくつかありますが、従来型の金属粉末は数種類しか提供できません。国内の材料研究開発は比較的遅れており、印刷用粉末は高価すぎます。材料の研究開発サイクルは長く、研究開発の難易度も設備に比べて高いため、企業は利益を最大化するために材料の研究開発に消極的です。黄河サイクロン株式会社は、ダイヤモンド微粉末とCBN微粉末の生産に携わる中国で数少ない企業の一つです。大学は 3D プリント機器とソフトウェアのサポートに熱心であるため、印刷材料が金属 3D プリント技術の開発と応用を大きく制限しています。

4 金属粉末情報: 探す必要はありません。世界中の金属 3D プリント粉末材料メーカーがすべてここにあります。南極熊の概要: 世界の金属 3D プリント材料は何ですか?

3D プリントで使用される金属粉末には、一般的に、高純度、良好な球形度、狭い粒度分布、および低酸素含有量が求められます。現在、3Dプリントで使用される金属粉末材料には、ジュエリーの印刷に使用される金や銀などの貴金属粉末材料に加えて、主にチタン合金、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金材料が含まれます。 3D プリント金属粉末は、金属部品の 3D プリント産業チェーンの中で最も重要なリンクであり、最大の価値が生まれる場所でもあります。

「2013年世界3Dプリント技術産業会議」において、3Dプリント業界の世界を代表する専門家らが、1mm未満のサイズの金属粒子の集合体を指す3Dプリント金属粉末の明確な定義を示しました。単一の金属粉末、合金粉末、および金属特性を持つ特定の耐火性複合粉末が含まれます。現在、3D プリント金属粉末材料には、コバルトクロム合金、ステンレス鋼、工業用鋼、青銅合金、チタン合金、ニッケルアルミニウム合金などがあります。しかし、3D プリント金属粉末は、優れた可塑性に加えて、粉末粒子サイズが細かく、粒子サイズ分布が狭く、球形度が高く、流動性が良好で、嵩密度が高いという要件も満たす必要があります。

4.1 チタン合金 チタン合金は、耐熱性、耐腐食性、強度、密度、生体適合性などの利点があり、航空宇宙、化学産業、原子力産業、スポーツ機器、医療機器などで広く使用されています。伝統的な鍛造および鋳造技術によって製造されたチタン合金部品は、ハイテク分野で広く使用されています。ボーイング 747 航空機では 42.7 トンのチタンが使用されています。しかし、大型チタン合金部品を製造するための従来の鍛造および鋳造方法は、製品コストが高い、プロセスが複雑、材料利用率が低い、その後の加工が難しいなどの不利な要因により、より広く使用されるのが妨げられています。金属3Dプリント技術はこれらの問題を根本的に解決できるため、近年チタン合金部品を直接製造する新しい技術となっています。新しいチタンベースの合金の開発は、チタン合金 SLM アプリケーションの研究の主な方向です。チタンおよびチタン合金は、ひずみ硬化指数が低く（約 0.15）、塑性せん断変形に対する耐性と耐摩耗性が低いため、高温および腐食摩耗条件下での使用は制限されます。

しかし、レニウム（Re）は融点が非常に高く、一般に超高温や強い熱衝撃の作業環境で使用されます。例えば、米国のUltramet Corporationが有機金属気相成長法（MOCVD）を使用して製造したReベースの複合ノズルは、動作温度が最大2200°Cの航空機エンジン燃焼室にうまく適用されています。したがって、Re-TI 合金の製造は、航空宇宙、原子力、電子機器の分野で非常に重要です。 Ni は磁性と優れた可塑性を持っているため、Ni-TI 合金は形状記憶合金としてよく使用されます。この合金は擬似弾性、高弾性率、減衰特性、生体適合性、耐腐食性などの特性を備えています。さらに、チタン合金の多孔質構造を持つ人工骨の研究も増えています。日本の京都大学は、3Dプリント技術を使用して、頸椎椎間板ヘルニアの患者4人のためにさまざまな人工骨を製造し、移植に成功しました。人工骨はNi-Ti合金でした。

4.2 ステンレス鋼
ステンレス鋼は、耐化学腐食性、耐高温性、優れた機械的性質などの特徴を備えています。粉末成形性が良好で、製造プロセスが簡単で、コストが低いため、3D金属印刷に使用される最も古い材料です。例えば、華中科技大学、南京航空航天大学、東北大学などの大学では、金属 3D プリントに関する徹底的な研究が行われています。現在の研究は、多孔性の低減、強度の向上、および溶融プロセス中の金属粉末の球状化メカニズムに焦点を当てています。 Li Ruidiらは、異なるプロセスパラメータを使用して304Lステンレス鋼粉末のSLM成形実験を実施し、304Lステンレス鋼の密度に関する実験式を取得し、粒成長メカニズムをまとめました。

Pan Yanfeng 氏は、316L ステンレス鋼の成形プロセスにおける球状化のメカニズムと球状化に影響を与える要因を分析して議論しました。同氏は、レーザー出力と粉末層の厚さが一定の場合、スキャン速度を適切に上げることで球状化現象を軽減できると考えました。スキャン速度と粉末層の厚さが固定されている場合、レーザー出力の増加とともに球状化現象は悪化します。 Maらは1Cr18Ni9Tiステンレス鋼粉末のレーザー溶融を行い、粉末層の厚さが60μmから150μmに増加すると、デンドライト間隔が0.5μmから1.5μmに増加し、最終的に約2.0μmで安定することを発見しました。サンプルの硬度は、溶融領域の異方性微細構造と粒径に依存します。江偉は一連のステンレス鋼粉末を使用して、粉末特性とプロセスパラメータがSLM成形品質に与える影響を研究しました。その結果、粉末材料の特殊特性とプロセスパラメータがSLM成形に影響を与えるメカニズムは、主に選択的レーザー成形プロセス中の溶融池の品質に影響を与えることが示されました。プロセスパラメータ（レーザー出力、スキャン速度）は主に溶融池の深さと幅に影響を与え、それによってSLM成形部品の品質を決定します。

4.3 高温合金<br /> 耐熱合金とは、鉄、ニッケル、コバルトをベースとした金属材料の一種で、600℃を超える高温や一定のストレス環境下でも長時間作動できるものを指します。高温強度が高く、高温腐食や酸化に対する耐性が優れており、可塑性と靭性も優れています。現在、合金は合金マトリックスの種類に応じて、鉄ベース、ニッケルベース、コバルトベースの3つのカテゴリに大別できます。高温合金は主に高性能エンジンに使用されています。現代の先進的な航空機エンジンでは、高温合金材料の使用がエンジン総質量の40％～60％を占めています。現代の高性能航空機エンジンの開発では、高温合金の動作温度と性能に対する要件がますます厳しくなっています。従来のインゴット鋳造冶金プロセスでは、冷却速度が遅く、インゴット内の特定の元素と第 2 相の偏析が深刻で、熱間加工性能が悪く、構造が不均一で、性能が不安定です。 3D プリント技術は、高温合金成形における技術的なボトルネックを解決する新しい方法となっています。 NASAは、2014年8月22日の高温点火テスト中に、3Dプリント技術を使用して作られたロケットエンジンノズルが記録的な9トンの推力を生み出したと主張している。

4.4 マグネシウム合金<br /> マグネシウム合金は、最も軽い構造用合金であり、その高い強度と減衰特性により、多くの応用分野で鋼鉄やアルミニウム合金に取って代わる可能性があります。たとえば、自動車や航空機の部品にマグネシウム合金を軽量化して適用すると、燃料消費量と排気ガス排出量を削減できます。マグネシウム合金は、その場で分解可能で、ヤング率が低く、人間の骨に近い強度を持ち、生体適合性に優れています。従来の合金よりも外科用インプラントへの応用が期待されています。

1990年代に3Dプリント技術が登場して以来、ポリマー材料の印刷から金属粉末の印刷へと徐々に移行し、多数の新技術、新設備、新材料が開発され、応用されてきました。現在、情報技術の革新のペースは絶えず進歩しており、工業生産は知能化とデジタル化の新たな段階に入っています。ドイツは2014年に「インダストリー4.0」開発計画を提唱しました。これは産業分野に破壊的な変化と革新をもたらすことは間違いありません。3Dプリント技術は産業インテリジェンスの発展の強力な原動力となるでしょう。金属粉末3Dプリント技術は一定の成果を達成しましたが、材料のボトルネックが3Dプリント技術の推進に影響を与え、3Dプリント技術は材料に対してより高い要求を突きつけています。産業用 3D プリントに適した金属材料にはさまざまな種類がありますが、産業生産の要件を満たすことができるのは特殊な粉末材料だけです。

3Dプリント金属材料には、主に3つの開発方向があります。1つ目は、既存の材料に基づいて材料構造と特性の関係に関する研究を強化し、材料の特性に応じてプロセスパラメータをさらに最適化し、印刷速度を上げ、多孔性と酸素含有量を減らし、表面品質を向上させることです。
2つ目は、優れた耐腐食性、耐高温性、総合的な機械的特性を備えた新材料の開発など、3Dプリントに適した新材料を開発することです。
3つ目は、3Dプリント粉末材料の技術標準システムを改訂・改善し、金属材料プリントの技術標準を制度化・標準化することです。

記事の出典：金属3Dプリント技術とその特殊粉末の研究の進歩（上海大学材料科学工学部）

金属3Dプリント技術とその特殊粉末の研究の進歩

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