短繊維酸化物セラミックマトリックス複合材料の付加製造：プロセス分析と材料特性

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

ドイツのケムニッツ工科大学、ポーランドのオポーレ工科大学、ルクセンブルク科学技術研究所 (LIST)、ドイツのフラウンホーファー IMT ケムニッツの研究者らが、短繊維酸化物セラミックマトリックス複合材の付加製造、プロセス分析および材料特性について報告しました。関連する研究結果は、「短繊維酸化物セラミックマトリックス複合材の付加製造：プロセス分析と材料特性」というタイトルで、International Journal of Applied Ceramic Technology に掲載されました。

この研究では、材料の選択、大規模な複合材のボール成形、AM プロセス自体、脱バインダーと焼結、微細構造と機械的特性評価から始めて、材料の押し出しに基づく純粋なアルミナベースの酸化物セラミックマトリックス複合材の付加製造 (AM) プロセスチェーンを調査します。バインダー（ポリビニルブチラール [PVB]、ポリエチレングリコール [PEG]、ステアリン酸）とアルミナ（Al2O3、アルミナ粉末、Nextel 610 アルミナ繊維）はそれぞれ複合粒子の 50% を占め、焼結後の繊維の体積は 40% を占めました。この材料は、最大 1000 mm/秒の速度に達する材料押し出しに基づく AM プロセスにより、工業規模で約 10 kg/時の速度で配合できます。送り速度の変更により、表面粗さが大幅に増加し、質量が 30% 増加し、厚さが 12% 増加し、幅が 25% 増加しました。 4 点曲げ試験における曲げ挙動は、急速な最初のピークとそれに続く最初の亀裂の発達によって説明でき、その後、平均値 23.8 ± 3.6 MPa のより高い曲げ強度、0.1% 伸び未満が続きます。破断面は、引き抜きや亀裂のたわみなどの予想される破壊メカニズムを示します。印刷されたサンプルの繊維の長さは平均 140 µm でした。
図 1: (A) 二軸スクリュー押出機は、加熱されたダイを通して押し出すことで混合と均質化を実行します。 (B) ダブルコンベアベルトによる空気乾燥。（C）約10kg/時の速度で造粒。 (D) 粒子の収集。
図 2: (A) 固定された押し出しヘッドと移動する作業台を使用した材料押し出し印刷プロセス。（B）デモンストレーターの製作。
図 3: 押し出し機のスクリュー速度 10 rpm、11 rpm、15 rpm で製造されたグリーンサンプルの表面品質の違い。

図 4: スクリュー速度 10 rpm およびさまざまなベース速度で製造されたグリーンシート。
図5: (A) 壁の厚さが異なるボックスのデモンストレーション。 (B) ボックスデモンストレーターの上面図とその寸法図 6: 内部リブありとなしの異なるサイズの 2 つのボックスサンプル。図7: 10 rpmでのバッチサンプル24の部分プロファイル測定。
図8: サンプル8、11、17、21の破面の走査型電子顕微鏡(SE)画像(SE、10 kV、2000×)。
図9: 走査型電子顕微鏡（SEM）画像（SE、10 kV）。（A）全体（63×）。 (B) 40 Vol.%の繊維で強化（72×）。
図 10: (A) 積層造形 (AM) サンプルと (B) セラミック射出成形 (CIM) サンプルの横断面 CT 画像。
今後の研究では、印刷プロセスをさらに改良して印刷物間の接着と統合を強化し、曲げ強度を向上させることに重点が置かれます。 3D プリントに連続繊維を組み込む高度な技術も検討され、繊維の分布と配列を最適化して耐荷重性を向上させることに重点が置かれます。さらに、荷重指向の設計方法の研究開発により、さまざまな用途における印刷コンポーネントの構造的完全性とパフォーマンスが継続的に向上します。さらに、アプリケーション指向のデモンストレーターの開発も継続され、提案された技術が特定の業界のニーズを満たす実用的な実現可能性を示します。こうした将来の取り組みにより、AM と連続繊維強化材の進歩が促進され、機械的特性と構造的弾力性が強化された高性能で用途固有の CMC 製品の作成が促進されます。

論文リンク: https://doi.org/10.1111/ijac.14842

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