2017 年の 3D プリントのトレンド: より優れた材料

2017 年には、3D プリント (付加製造) 材料が 3D プリントの技術的特性に基づいてさらに発展し、より高品質でより細かい最終生産部品の大型化に対するアプリケーション側の要求を満たすようになります。同時に、3D プリントプロセスに使用できる材料の範囲は拡大し続けており、低価格、中価格、高価格の各セクターにおけるさまざまなニーズに応えています。

エンジニアリンググレードの材料の開発には、標準化団体、政府研究所、同盟およびその他のグループ、および GKN、アルコア、エボニック、BASF、ソルベイなどの大手材料会社など、さまざまな要因が寄与してきました。機器メーカーの推進力ももう 1 つの大きな要因となっており、その最も典型的なものが HP マルチジェットテクノロジーです。エボニックと BASF は、HP の機器を中心として、より多くのエンジニアリンググレードの材料を開発し、機器のより幅広い用途を開拓しています。

材料とアプリケーションが密接に統合されている

積層造形材料の標準とガイドラインの改善
積層造形法と 3D 印刷法を使用して高品質の最終生産部品を製造するには、設備とプロセスの両方を網羅した材料と印刷部品の詳細な規格とガイドラインが必要です。これは、2017 年も引き続き最も急速に成長した 3D 印刷市場であった金属部品の 3D 印刷に特に当てはまります。

▲アルミニウムのスピンオフ企業であるアルコニックの3Dプリントアルミニウム粉末製造工場は、世界最大の軽金属研究開発センターでもある
2016 年、Senvol データベースの無料オンライン検索により、製造志向のエンジニアが使用できる新しい産業グレードの積層造形ツールセットが生成されました。Senvol データベースには、産業用積層造形装置と特性評価材料のパフォーマンスデータが含まれており、ユーザーはニーズに基づいて関連情報を検索できます。強力な独自のアルゴリズムにより、メーカーは従来のプロセスよりも積層造形 (AM) を使用した方が効率的に製造できる部品を判断できます。アルゴリズムはサプライチェーン全体を分析し、在庫、ダウンタイム、輸送などの要素を考慮に入れます。 Senvol Index は、機器や材料メーカーの影響を受けず、付加製造による生産を希望するユーザーが業界参入障壁を下げるのに役立つ中立的なツールです。

たとえば、Arcam Q20 で処理された Arcam (AP&C) チタン合金 Ti6Al4V (45 ～ 106 ミクロン) の場合、Senvol データベースは、航空宇宙産業のベストプラクティスから得られた材料特性、プロセスパラメーター、粉末特性、熱間静水圧プレス (HIP) の影響に関する情報を提供します。各指標により、独自の材料特性評価を行う他の航空宇宙企業による作業の重複が回避されます。さまざまな業界で非常に類似した材料が使用されているため、たとえばチタン合金は医療用インプラントの製造にも使用されているため、このようなデータセットは航空業界と医療業界で共有できます。

Senvol 社長の Annie Wang 氏が、SAE 航空宇宙材料システム内の技術委員会である SAE Additive Manufacturing 委員会のデータ管理委員会の副委員長に選出されました。アニー・ワン氏は委員会において、材料仕様の管理と追跡可能性を確保するシステムを確立することに重点を置く予定です。データ管理委員会は、SAE の MMPDS 新興技術ワーキンググループと協力して、SAE 国際複合材料ハンドブックのポリマー複合材料 CMH-17 および新興金属材料に関するデータ研究作業も調整します。

材料の推進における標準化とデータの役割に関して、3D Science Valley は、積層造形と産業発展に関する ASTM 国際標準、およびビッグデータと 3D プリントの連携に関する詳細な分析を発表しました。

金属、金属、そしてさらに金属

最終的には、生産部品こそが 3D プリントの未来です。最近の IDTechEx レポートによると、2016 年の金属プリンターの売上は 48% 増加し、材料の売上は 32% 増加しました。このレポートでは、選択的レーザー溶融法 (SLM)、電子ビーム溶融法 (EBM)、粉末供給法、金属 + バインダー、溶接、およびいくつかの新興技術について取り上げています。幅広い材質：アルミニウム合金、コバルト合金、ニッケル合金、スチール、ニッケルチタン合金、チタン合金、金、プラチナ、パラジウム、銀、銅、青銅、タングステン。航空宇宙および医療用途に重点が置かれているため、航空宇宙産業で多用されているチタン合金は市場シェアの 31% を占めています。同時に、航空宇宙産業はコバルト、ニッケル、アルミニウム合金にも多額の投資を行っています。

SLMとEBMに関しては、Absolute Reportsによれば、2021年まで年平均26.86%の成長率が続くと予測されています。また、Absolute Reportsによると、欧州の金属市場は世界水準よりも速いペースで成長しており、2011年から2016年にかけて54.92%という高い成長率を維持しています。

金属粉末は金属積層造形における大きな制約です。Wholers と VDW のレポートによると、金属積層造形の市場シェアは積層造形全体の約 10% にすぎません。しかし、この割合は 2023 年には約 51% に達すると予想されています。現在、大手金属粉末メーカーのほとんどが、積層造形用の金属粉末を開発しています。粉末はまだ不足していますが、この現象はすぐに変化すると予想されます。

アルコアは、世界にエネルギーを供給する材料ソリューションの先駆者であり、チタン、ニッケル、アルミニウムから作られた付加価値製品を提供し、世界クラスのボーキサイト、アルミナ、アルミニウム製品を生産しています。アルコアは、航空宇宙製造を含むさまざまな業界における付加製造の需要を満たすために、下流サービス事業をアルコニックという名前で分社化しました。同社はペンシルベニア州ピッツバーグで 3D プリント用金属粉末を生産しており、アルコアテクノロジーセンターを構えて、3D プリント航空宇宙部品に最適化された独自のチタン、ニッケル、アルミニウム粉末を開発しています。

別の会社である GKN には、GKN Driveline、GKN Powder Metallurgy、GKN Aerospace、GKN Land Systems の 4 つの部門があります。これら 4 つの事業部門は相互に補完し合い、金属粉末の研究と応用に優れた利点をもたらします。 GKNの子会社であるHoeganaes Ltd.が生産する金属粉末製品は、北米で50％以上の市場シェアを有しており、欧州の金属粉末製品市場においてもHoeganaes Ltd.製品の売上が急成長しています。 GKN Hoeganaes はまた、ドイツの TLS Technologies と合弁会社を設立し、北米の航空宇宙および医療製造業界に 3D プリント用のチタン粉末を供給しています。 TLS Technologies は、20 年以上にわたり、付加製造市場にチタン粉末を供給してきました。新会社は米国ニュージャージー州シナミンソンに拠点を置き、2017年に開設される予定で、付加製造用の高品質標準チタン粉末市場におけるGKNの地位を強化することになる。

カーネギーメロン大学の NextManufacturing Center では、研究者たちが、100 万分の 1 メートルほどの微細な金属内部の詳細を観察できるほど強力な巨大なシンクロトロン X 線装置を使用しています。金属 3D プリントの X 線スキャンデータはピッツバーグに送り返され、金属プリントの結果とプリントパラメータの関係が分析されます。研究者らは、X線ベースのマイクロトモグラフィーを使用して、3Dプリントされたチタン合金部品の詳細な画像を同時に作成し、材料の特性評価と部品の内部構造の強化に役立てました。

これまでの研究では、EBM 処理条件下での 3D プリントされたチタン合金部品用の Ti-6Al-4V 合金の引張特性が、ほとんどの従来の製造基準を満たすか上回っていることが判明しています。しかし、多孔性が高すぎるため、部品の疲労性能は常に低下します。研究チームは、プリンターのプロセスパラメータを調整することでほとんどの多孔性を排除できることを発見したが、多孔性を測定するために使用する方法は十分に正確で、多孔性を適切に記述するのに十分な情報を含んでいる必要がある。 NextManufacturing Center では、最小 1.5 ミクロンの特徴解像度が実現されます。

▲米国LLNL研究所による金属印刷の研究
ローレンス・リバモア国立研究所の研究者も、気孔の問題を調査している。彼らは、レーザー粉末溶融金属プロセスによって生成された粒子間の相互作用が多孔性の増加につながる可能性があることを発見しました。研究チームは真空チャンバー、超高速カメラ、特注の顕微鏡装置を使用して、レーザーによって放出され、レーザーの方向に溶けるプロセスを観察しました。研究者らはコンピューターシミュレーションと流体力学を利用して、粒子の動きを説明するのに役立つモデルも構築した。このデータは収集され、シミュレーションモデルの更新、加工プロセスの最適化、多孔性の発生のさらなる理解、プロセスの高度な診断と変更の検討に使用されます。 3D サイエンスバレーでは、世界最先端の 3D プリント研究所である LLNL 国立研究所を探索し、質の高い研究と最先端のアプリケーションで 3D プリントの発展をリードする LLNL の強さと勇気を感じることができます。

多孔性の研究のために、ペンシルバニア大学もX線トモグラフィー技術を導入しました。詳細については、3D Science Valleyが公開した3Dプリント用高品質ツールとしてのX線トモグラフィー技術をご覧ください。

航空宇宙産業や医療産業における最も人気があり注目を集める用途に加えて、金型市場、特に付随する冷却金型の印刷は、金属3Dプリントのもう1つの潜在的な市場です。国際的に最もよく知られているブランドはサンドビックです。現在、金型鋼材とアプリケーションの分野で3Dプリントの分野で活動している国内機関には、北京易佳、無錫新徳華瑞粉末新材料技術、中国科学院重慶グリーンインテリジェント技術研究所、上海蘭竹特殊合金材料、東莞金勝精密部品、東莞華井粉末冶金、南京航空航天大学、華中科技大学などがあります。

しかし金属だけが素材ではない

金属は注目を集めますが、3D プリントの最も重要な素材ではありません。 BCCリサーチの調査レポートによると、2015年の印刷材料市場の59.8％を感光性樹脂材料が占めています。もちろん、金属材料市場の急成長に伴い、感光性樹脂材料は2021年に市場シェアの47％になると予想されています。熱可塑性プラスチックは市場シェアの25%～26%を占めています。

プラスチックは、エンジニアリングの可能性が高まっています。3D サイエンスバレーによる 3D プリントの付加価値向上に関する前回のレポートに加え、2016 年末の新素材トレンドインベントリで市場調査情報が明らかにされました。エボニックは最近、HP Multi Jet Fusion 3D プリンターで使用するために開発された初の新しいプラスチック粉末である VESTOSINT 3D Z2773 を発売しました。新しい PA-12 粉末は優れた機械的特性を備え、米国 FDA (食品医薬品局) の基準を満たしているため、この材料で作られた部品は食品接触用途に使用できます。

HP の他の材料パートナーには現在、BASF、アルケマ、Lehman & Voss などが含まれています。

▲エンジニアリングプラスチックで作られた3Dプリント部品
プラスチック分野のもう一つの大手企業であるソルベイは、先進的な軽量ソリューションによって一部の金属をプラスチックに置き換えることを目指しています。ソルベイは、まずフランスのリヨンにSinterline Technylの研究と製造を行う技術センターを設立し、その後、米国ジョージア州アルファレッタに付加製造用の先進材料の研究を行う新しい研究所を開設しました。

ソルベイは、10%のガラス繊維強化材を含むKetaSpire KT-820 PEEK材料に対して特別なテストも実施し、同じ材料から3Dプリントで作られた部品と従来の射出成形で作られた部品の引張強度を比較しました。

プラスチック分野では、テクノロジーとイノベーションの新たな競争が始まろうとしています。これは、3D Science Valley が発表した記事「3D プリントにさらなる付加価値を与え、2016 年末に新素材のトレンドを振り返る」で詳しく分析されています。

もちろん、3Dプリント市場は、金属であれプラスチックであれ、大手企業が完全に独占しているわけではありません。独自の革新を伴う新技術が存在します。その1つがイタリアのCRPテクノロジーです。ポリアミド材料に焦点を当てたCRPテクノロジーのナイロン強化材料はユニークです。その中でも、Windformガラス繊維強化ポリアミド材料は引張強度に優れ、CNC加工も可能です。また、非導電性材料でもあり、バッテリーボックス、電気および電子部品、KERSエネルギー回収コンテナに適しています。プラスチックはどのようにして金属の代わりになるのでしょうか?詳細については、3D Science Valley が公開した記事「Windform 3D プリント技術がもたらす車両カスタマイズの世界と、FDM および SLS 技術向け PAEK 材料」をご覧ください。ウィッグスは本気だ。

注目すべき現象は、米国が独自の金属3Dプリンターの開発に多くの人材と物的資源を投入せず、金属印刷プロセスの研究と品質管理、および応用研究に重点を置いていることです。一方、GEは2016年にコンセプト・レーザーとアーカムを買収し、金属3Dプリンター機器における米国の発言力を直接的に強化した。 3D Science Valley は、機器であれ材料であれ、大勢に従うのではなく、得意なことに取り組むことが、3D プリント分野を支配し、競争に勝つための基礎となると考えています。

さらに読む:
《材料の研究開発は3Dプリンターメーカーの研究開発の焦点となる》
「2016年末の新素材トレンドレビュー、3Dプリンティングにさらなる付加価値をもたらす」

Antarctic Bear は、3D プリントのプロフェッショナルメディアプラットフォームです。クリックしてウェブサイトhttp://www.nanjixiong.com/にアクセスしてください。

出典: 3Dサイエンスバレー

2017 年の 3D プリントのトレンド: より優れた材料

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