大連交通大学：3Dプリント技術を使ってアモルファス金属を製造する方法

この投稿は Little Soft Bear によって 2016-12-5 11:58 に最後に編集されました。

アモルファス金属（金属ガラス）は、アモルファス合金とも呼ばれ、金属とガラスの両方の利点を備え、それぞれの欠点を克服しています。たとえば、ガラスは脆く、延性がありません。金属ガラスの強度は鋼鉄よりも高く、硬度は高硬度工具鋼を超え、一定の靭性と剛性を備えています。そのため、人々は金属ガラスを「割れたり、粉砕されたりしない」ガラスの王様と称賛しています。以前Antarctic Bearが報じたように、貴金属とハイテクに注力するドイツのHeraeusグループは、Exmetと協力してアモルファス金属3Dプリント技術を開発している。今は良いニュースがあります。中国の大連交通大学も関連技術の研究開発を行っており、一定の進歩を遂げています。

アモルファス金属は、高強度、高硬度、耐摩耗性、耐腐食性など、多くの優れた特性を備えています。これらの優れた特性により、航空宇宙、自動車、船舶、装甲保護、精密機器、電気、エネルギー、電子機器、バイオメディカルなどの分野で幅広い応用が期待されています。

大連交通大学は長年にわたりアモルファス金属の製造を研究しており、溶融噴霧法によって板状のアモルファス合金Zr55Al10Ni5Cu3も製造した。 3D プリント技術を使用してアモルファス金属を製造する方法を見てみましょう。

現在一般的に使用されている銅鋳型鋳造法で製造されるアモルファス金属のサイズはセンチメートルレベルに過ぎず、その工学的応用には大きな制限があります。さらに、アモルファス金属は常温脆性の問題が深刻であるため、常温での加工が難しく、精密で複雑なアモルファス金属部品を得ることが困難です。

レーザー 3D 印刷技術によるアモルファス金属の加工の難しさは、粉末床ベースのレーザー 3D 印刷が点ごとの離散的なクラッディング堆積成形法であるため、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する可能性があることです。溶融池の冷却速度が、印刷された金属材料がアモルファス状態を形成するために必要な臨界冷却速度よりも高い場合、溶融物は凝縮プロセス中に結晶化せず、つまりアモルファス状態になります。層ごとの堆積により、複雑な形状でサイズ制限のないアモルファス金属部品を製造できます。

レーザー 3D プリント技術を使用して金属部品を形成するプロセスでは、溶融池付近の熱は主に準備された金属部品マトリックスを介して外側に伝導され、レーザー溶融池の冷却速度は主に金属部品マトリックス内の温度勾配に依存します。成形中に高い冷却速度を必要とするアモルファス金属部品の場合、マトリックスの温度勾配が低いと溶融池の熱が速やかに拡散できず、凝縮プロセス中に溶融池が結晶化して、完全なアモルファス金属部品を得ることができず、金属部品の性能が低下します。大連交通大学は、溶融池の冷却速度を高めることで、レーザー 3D プリントによるアモルファス金属部品の形成という目標を達成しました。

大連理工大学は、真空作業環境において作業台の外側に設置された冷却作業プールを主に使用して、準備された金属部品が常に低温であることを保証し、金属部品の溶融プール付近の温度勾配を高め、それによって金属部品の溶融プール付近の熱を迅速かつ効率的に拡散させ、結晶化の発生を回避します。

粉末床作業台は、冷却剤作業プール内に設置され、作業台の外周は、複数層の循環冷却水管に囲まれています。循環冷却水管の本体は、冷却剤作業プール内に配置され、循環冷却水管の入口管と出口管は、冷却剤作業プールを通過し、真空グローブボックスの外側に配置されます。

印刷プロセス中、レーザー 3D 印刷によって形成された金属部品は常に冷却剤に浸されています。冷却剤の液面はレーザー印刷レベルよりも低く、設定された高さに維持されます。冷却剤レベルの上昇率は、レーザー 3D で形成された金属部品の蓄積率に等しくなります。これにより、レーザー溶融池の熱が金属部品マトリックスと冷却剤を通じて効率的かつ迅速に伝達されることが保証されます。

△ミズーリ科学技術大学は、冷却剤流量制御バルブを調整して冷却剤レベルの上昇速度を制御し、冷却剤レベルが常にレーザー印刷層より一定の距離下にあるようにすることで、金属部品の溶融池の熱が金属部品マトリックスを通じて冷却剤に素早く流れるようにし、循環冷却水パイプを複数の層で作業台を取り囲み、冷却剤作業プールに配置することで、冷却剤の熱を適時に奪い、冷却剤温度を下げることができる非晶質金属の3Dプリントを開発しました。

大連交通大学のこの技術の実現可能性と商業的見通しについては、今後さらに調査する必要がある。しかし、アンタークティックベアは、EUの付加製造ロードマップにおける3Dプリントによるアモルファス金属の製造も、EUが支援するロードマップの方向性であることを発見しました。私たちは、この分野で国際的にどのような進歩が遂げられているのか、また、どの企業が探査や研究を行っているのかを、引き続き研究し、追跡していきます。

この記事で参照されている特許:
CN105081321A: レーザー3Dプリントにより形成されたアモルファス金属部品の冷却システムおよび冷却方法
US20160067387:アモルファスシリコン酸化物、アモルファスシリコン酸窒化物、およびアモルファスシリコン窒化物薄膜およびその用途

出典：3Dサイエンスバレーヘレウスグループがアモルファス金属3Dプリント材料を開発科学者らは3Dプリントを利用して新しいアモルファス金属材料を開発

大連交通大学：3Dプリント技術を使ってアモルファス金属を製造する方法

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