南極クマの3Dプリントネットワーク
3D プリントは近年中国で普及し始めたばかりですが、国際的には 1980 年代にはすでに 3D プリントの開発が始まっていました。ベアの友人たちは、Antarctic Bearによる以前のレポートをまだ覚えている。 「Divergent Microfactoriesは、3Dプリントされた部品をベースにしたスーパーカーを発売しました。このスポーツカーは、車両全体を3Dプリントしたものではなく、アルミニウムの「ノード」構造のみを3Dプリントしたものです。DMは、3Dプリントを使用して複雑な形状のノードを慎重に作成し、既製のカーボンファイバーチューブで接続します。」
では、ユニークなスポーツカーやその他の部品を製造できる金属や無機材料には、現在どのようなものがあるのでしょうか?
現在、国内の金属3Dプリント材料のほとんどは輸入に依存しており、高価であるため、国内の金属3Dプリント材料を専門とする企業や機関が独自に金属3Dプリント材料を開発するようになりました。ただし、金属 3D プリント材料自体の材料特性により、特定の適用分野があるため、金属 3D プリント材料を選択するプロセスは、複数の要素を比較検討するプロセスになります。さらに、3D プリントされた金属は、金属3D プリンターのパラメータだけで測定できるものではありません。各金属材料には、それぞれの特性に合った限界点があります。用途、機能、安定性、耐久性、美観、経済性はすべて、設計者が考慮する必要がある要素です。 ほぼ完璧な金属部品を本当に加工するには、機材のキャリアはもちろん重要ですが、ソフトウェア、プロセス、材料が互いに連携する必要があります。もちろん、金属3Dプリンターを使用して部品を製造したり、製品を加工したりするには、まず材料に精通している必要があり、その上で精密機械の話になります。さらに、金属印刷ではサポートの問題により、後で部品を加工することができなくなります。印刷プロセス中に他の要因が材料特性に与える影響を考慮するために、より多くの材料構成比を考慮する必要がある場合があります。 3Dプリントされた航空宇宙部品を例に挙げてみましょう。航空宇宙で使用される金属部品は、過酷な環境で使用され、耐腐食性、耐高温性、金属強度が高いという特徴があります。材料特性に精通していない場合、3Dプリントを使用して金属部品の製造をどのように制御できるでしょうか。したがって、素材に精通することが特に重要です。
鉄金属 1. ステンレス鋼 ステンレス鋼はステンレス耐酸鋼の略称です。空気、蒸気、水などの弱い腐食媒体に耐性があり、ステンレスの性質を持つ鋼をステンレス鋼と呼び、化学腐食媒体（酸、アルカリ、塩など）による腐食に耐性のある鋼を耐酸鋼と呼びます。両者の化学組成の違いにより、耐食性も異なります。通常のステンレス鋼は一般に化学媒体による腐食に耐えられませんが、耐酸性鋼は一般に錆びにくいです。
ステンレス素材で印刷されたボトルオープナー ステンレスは最も安価な金属印刷素材です。3Dプリントで印刷された高強度ステンレス製品の表面はわずかに粗く、穴があいています。ステンレス鋼には光沢のある表面とマットな表面のさまざまな種類があり、ジュエリー、機能部品、小さな彫刻などの 3D プリントによく使用されます。
2. 高温合金 高温合金は、優れた高温強度、良好な耐酸化性と耐熱腐食性、良好な疲労性能、破壊靭性などの総合的な特性を備えており、軍用および民間のガスタービンエンジンのホットエンド部品にとってかけがえのない重要な材料となっています。
高温合金材料は主に航空業界で使用されています。高温合金は、強度が高く、化学的性質が安定しており、成形や加工が難しく、従来の加工技術ではコストが高いため、航空業界での用途では主要な 3D プリント材料となっています。 3D プリント技術の長期にわたる研究とさらなる発展により、3D プリントで製造された航空機部品は、処理時間とコストの利点により広く使用されるようになりました。
非鉄金属
1. チタン チタン金属は鋼鉄に似ており、銀灰色の光沢があります。遷移金属であり、昔から希少金属と考えられてきました。チタンは希少金属ではありません。地殻の総重量の約0.42%を占め、これは銅、ニッケル、鉛、亜鉛の総量の16倍に相当します。金属の世界では第7位にランクされており、チタンを含む鉱物は70種類以上あります。チタンは強度が高く、密度が低く、硬度が高く、融点が高く、耐食性が強いです。高純度チタンは可塑性が優れていますが、不純物が存在すると脆く硬くなります。
金属 3D プリント材料として最も広く使用されている金属粉末合金には、純チタンとチタン合金、アルミニウム合金、ニッケルベース合金、コバルトクロム合金、銅ベース合金などがあります。
現在市場で使用されている純チタンは、商業用純チタンとも呼ばれ、グレード 1 とグレード 2 の粉末に分けられます。グレード 2 はグレード 1 よりも強度が高く、ほとんどの用途で耐腐食性も備えています。純チタングレード2は生体適合性に優れているため、医療業界で幅広い応用が期待されています。
チタンはチタン合金産業の鍵です。現在、金属 3D プリントに使用されるチタン合金は、主にチタン合金グレード 5 とチタン合金グレード 23 です。優れた強度と靭性に加え、耐腐食性、低比重、生体適合性を備えているため、航空宇宙や自動車製造に非常に理想的な用途があります。さらに、高強度、低弾性率、強力な疲労耐性を備えているため、バイオメディカル インプラントの製造にも使用されています。チタン合金グレード 23 はさらに純粋で、神のような歯科および医療用チタングレードです。
NASA がチタン金属粉末を使用して製造したタービン ポンプには、3D プリント技術を使用して製造されたチタン合金部品が使用されています。これらは非常に強度が高く、寸法精度も優れています。製造可能な最小サイズは 1 mm に達し、部品の機械的特性は鍛造プロセスを使用して製造されたものよりも優れています。英国企業Metalysisは、チタン金属粉末を使用してインペラやターボチャージャーなどの自動車部品の印刷に成功した。さらに、チタン金属粉末消耗品は、3Dプリント自動車、航空宇宙、防衛産業において幅広い応用が期待されます。
2. マグネシウムアルミニウム合金
日本のキヤノンは、3Dプリント技術を使用して、最高級の一眼レフカメラ用のマグネシウムアルミニウム合金製の特殊な曲面トップカバーを製造しています。
マグネシウム-アルミニウム合金で印刷された部品は軽量です。マグネシウム-アルミニウム合金は、軽量で高強度という優れた性能のため、製造業の軽量化需要に広く使用されています。3D印刷技術でも、例外なく大手メーカーが好む代替材料となっています。
3.アルミニウム合金
現在、金属3Dプリントで使用されるアルミニウム合金は、主にアルミニウムシリコンAlSi12とAlSi10Mgです。アルミニウム シリコン 12 は、軽量で熱特性に優れた付加製造用金属粉末です。熱交換器やその他の自動車部品などの薄肉部品に使用できるほか、航空宇宙産業グレードの試作品や生産部品にも使用できます。シリコンとマグネシウムの組み合わせにより、アルミニウム合金はより強く硬くなり、特に熱特性に優れ、重量が軽い場合に、薄肉で複雑な形状の部品に適しています。
4. ガリウム
ガリウムは主に液体金属合金の 3D 印刷材料として使用されます。ガリウム (Ga) は主に液体金属合金の 3D 印刷材料として使用されます。金属伝導性があり、粘度は水に似ています。水銀 (Hg) とは異なり、ガリウムは毒性がなく、蒸発しません。ガリウムは柔軟で伸縮性のある電子機器に使用でき、液体金属は変形可能なアンテナ、ソフトストレージデバイス、超伸縮性ワイヤ、ソフト光学部品などのソフト伸縮性部品に使用されています。
5. ガリウムインジウム合金
ノースカロライナ州立大学化学・生体分子工学准教授のマイケル・ディッキー氏は、ガリウム（Ga）とインジウム（In）の液体金属合金を使い、3Dプリント技術によって室温で3次元の自立構造を作り出した。この奇跡の誕生は、ガリウム・インジウム合金が空気中の酸素と反応して、部品の形状を維持できる酸化膜を形成するという事実によるものだ。この技術は、3D プリントで電子部品を接続するために使用されます。
6. ニッケル基合金
一般的に、ニッケルベースの合金は、引張、疲労、熱疲労に対する耐性が優れています。現在、主なものとしては、インコネル738、ハステロイX、インコネル625、インコネル713、インコネル718などがあります。 インコネル738は、高温クリープ破断強度と耐熱腐食性に優れており、クロム含有量の少ない超合金です。920～980℃までの高温腐食環境に長時間さらされても耐えられ、航空機エンジンやガスタービンに適しています。 ハステロイXは高温での強度と耐酸化性が高く、1200℃までの環境でも優れた延性を持っています。現在は主に航空宇宙技術で使用され、ガスタービン部品やトランジションダクト、バーナー缶、ノズル、排気管、アフターバーナーなどの燃焼ゾーン部品に使用されています。また、応力腐食割れに対する耐性があるため、工業炉、石油化学、化学プロセス産業でも使用されています。 インコネル625は、約815℃の高温でも優れた耐荷重性能を持ち、耐腐食性も強いため、航空宇宙、化学、電力業界で広く使用されています。 インコネル 713 は、優れた耐熱疲労性と 927°C での特殊な破壊強度を備えているため、ジェットエンジンのガスタービンブレードに適しています。
7. 銅系合金
市場に応用されている銅ベースの合金は、一般的に青銅と呼ばれ、熱伝導性と電気伝導性に優れており、設計の自由度と組み合わせて複雑な内部構造と冷却チャネルを作り出すことができ、半導体装置などのより効率的なツール挿入金型の冷却に適しており、薄壁で複雑な形状のマイクロ熱交換器にも使用できます。
8. コバルトクロム合金
コバルトクロム合金は、強度が高く、耐腐食性が強く、生体適合性が良く、非磁性の特性を持っています。主に合金人工関節、膝関節、股関節などの外科用インプラントに使用されています。また、エンジン部品やファッション、ジュエリー業界などにも使用できます。
9. 希少金属および貴金属
3D プリントされた真鍮の指輪と金のジュエリー 3D プリント製品は、ファッション業界でますます影響力を増しています。世界中のジュエリーデザイナーは、クリエイティブ業界における他の製造方法に代わる強力で便利な方法として、3D プリントのラピッドプロトタイピング技術を使用することで最大の恩恵を受けるでしょう。ジュエリーの3Dプリントの分野では、金、スターリングシルバー、真鍮などが一般的に使用されています。
セラミック材料<br /> セラミック材料は強度と硬度に優れています。耐高温性、低密度、良好な化学的安定性、耐腐食性などの優れた特性により、航空宇宙、自動車、生物学などの業界で広く使用されています。
3Dプリント用セラミック材料であるケイ酸アルミニウムセラミック粉末は、3Dプリントセラミック製品に使用できます。3Dプリントセラミック製品は防水性、耐熱性（摂氏600度まで）、リサイクル可能、無毒ですが、強度は高くありません。理想的な調理器具、食器（カップ、ボウル、皿、エッグカップ、コースター）、燭台、タイル、花瓶、アートワーク、その他の家庭装飾材料として使用できます。
複合材料<br /> 複合材料で作られた 3D プリントされたバイオニック筋電義手。米国シリコンバレーの Arevo 研究所で、高強度の炭素繊維強化複合材料を 3D プリントしました。従来の押し出し成形や射出成形方法と比較して、3D プリントは、炭素繊維の配向を正確に制御し、特定の機械的、電気的、熱的特性を最適化することで、総合的なパフォーマンスを厳密に設定できます。 3D プリントされた複合部品は一度に 1 層ずつ作成されるため、各層で任意の繊維配向を実現できます。強化ポリマー材料で印刷された複雑な形状の部品は、優れた耐熱性と耐薬品性を備えています。
3Dプリントされた超強力ポリマー部品
3Dプリントされたバイオニック筋電義手（右）
アメリカの科学者たちはグラフェン3Dプリントを使って超軽量・超薄型のスーパーキャパシタを印刷しており、この3Dプリント技術は大きな注目を集めている。この材料は「変化をもたらす」ことができるかどうかの重要な指標となっている。我が国の基礎素材産業は長年にわたり国内から多くの注目を集めてきましたが、常に世界の先進国から抑圧されるというジレンマに陥っており、これは現在の3Dプリント材料産業に特に当てはまります。
実は、国内の3Dプリンター設備に対応する消耗品は現在、大幅に不足しています。主な理由は、安価な消耗品では利益が出ないため、メーカーが生産を嫌がっていることです。しかし、既存の技術では高価な消耗品に追いつくことができません。政策支援や補助金が不足しているため、メーカーは研究開発に資金と人件費を投入したがりません。これは多くの企業自体に関係していますが、国の制度や政策支援が不足していることも大きな理由です。
まとめると、3Dプリント技術の発展と応用は依然として基礎材料産業の発展に依存しており、これは国内の3Dプリント産業の大きな「根本原因」でもある。近年、3Dプリント技術は急速に発展し、その応用分野はより広範囲に及んでいますが、材料供給は楽観的ではなく、それが3Dプリントのさらなる発展を制限する技術的なボトルネックとなっています。
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