マグネシウム合金ワイヤーDEDレーザー金属3Dプリント技術、より軽くて強い

南極熊の紹介：以下に紹介するマグネシウム合金線DEDレーザー金属3Dプリント技術は、産業応用価値が高く、中国の産業界の注目に値します。

2024年6月13日、アンタークティックベアは、三菱電機株式会社、熊本大学マグネシウム研究センター（MRC）、東邦金属株式会社、宇宙航空研究開発機構（JAXA）が、マグネシウム合金を用いた高精度積層造形を実現する指向性エネルギー堆積（DED）方式を採用した初のレーザーワイヤー金属3Dプリンターを開発したことを知りました。マグネシウム合金を比類のない精度と複雑さで機械加工する可能性を解き放つことで、鉄やアルミニウム製のものよりも軽量で強度の高いロケット、自動車、航空機の部品を製造できるようになり、燃料効率が向上し、生産コストが削減されます。さらに、ワイヤーレーザー金属 3D プリンターをベースとした生産プロセスは、従来のプロセスよりもエネルギー効率が高く、温室効果ガスの排出量が少なくなり、持続可能な開発能力が向上します。

アライアンスメンバーは、2022年9月よりJAXAの革新的将来宇宙輸送システム研究開発プログラムの枠組みの中で共同研究（レーザーワイヤDED法によるマグネシウム合金ワイヤの積層造形加工技術の研究）を実施し、ロケットの軽量化による大幅なコスト削減に取り組んできました。近年、電気自動車や民間航空機の需要拡大に伴い軽量化のニーズが高まっており、マグネシウム合金が注目されています。しかし、マグネシウム合金はダイカストで加工されることが多いため、内部が中空になった構造物を作ることが難しい。また、積層造形の主流である粉末床溶融結合法（PBF法）は、熱を利用して金属粉末を選択的に溶融する方式ですが、酸化による劣化や粉塵爆発が発生する可能性があり、安全な製造に課題があります。

そこでコンソーシアムは、三菱電機の金属3DプリンターとMRCが開発した難燃性に優れた耐熱マグネシウム合金「KUMADAI」を組み合わせ、金属粉末ではなく金属ワイヤを材料とするワイヤレーザーDED法を採用した。試験では、東邦金属が製造する耐熱マグネシウム合金「KUMADAI」を使い、三菱電機が高度な伸線技術で成形工程を繰り返し、マグネシウム合金線を積層造形材料として使い、精密な温度制御で燃焼を防ぐ新技術を試作した。 JAXAによるこの新技術を用いた積層造形法による製造サンプルの評価によれば、一部のロケット部品は従来のアルミニウム合金構造のものより約20%軽量化されると推定されます。

△ 3Dプリントされたマグネシウム合金サンプル

同じプロセスは、さまざまな輸送機器やロボット部品など、軽量化が必要な他の分野にも広く適用できます。そこで三菱電機では、ワイヤーレーザーDED金属3Dプリンター技術の2029年頃の実用化を目指し、さまざまな産業分野への応用に向けた研究開発を並行して進めていく予定だ。

マグネシウム合金線の付加製造は、高い加工性と高い強度の利点を兼ね備えています。 MRC は、KUMADAI の耐熱マグネシウム合金を数多く研究し、ワイヤー形状でも難燃性を備えた積層造形材料を見つけました。東邦金属は、任意の直径と長さの積層造形線を製造する技術を開発し、試作線を製造しました。三菱電機は、最適な線厚と伸線工程を得るために、これらの試作線を徹底的にテストしました。

高精度積層造形技術により不燃性のマグネシウム合金線を採用。三菱電機は、コンピュータ数値制御（CNC）を用いてレーザー出力とライン速度を精密に制御し、加工領域内の温度を一定に保つラインレーザーDED金属3Dプリンターの技術を開発した。これにより、幅3mmのマグネシウム合金を焼けることなく高精度に任意の形状に加工することが可能となります。ダイカストとは異なり、金型は不要で、金型交換のコストがかかりません。

マグネシウム合金製の付加製造構造により、ロケット部品の軽量化が実現します。積層造形法で製造されたサンプルは、室温で約250メガパスカル（MPa）の高い引張強度、約200度の高温で約220MPaの高い引張強度を達成し、従来の方法よりも優れた性能を発揮した。さらに、サンプルは耐熱性があり、不燃性です。マグネシウム合金はアルミニウムや鉄よりも軽くて強度が高いため、自動車や航空機の部品に使用すると、燃料効率と全体的な持続可能性の向上に役立ちます。材料の無駄を最小限に抑えることで、インゴット処理に比べて処理エネルギー効率が向上し、材料を節約できます。

各パートナーの役割分担は、三菱電機がマグネシウム合金を用いた積層造形技術の開発と積層造形サンプルの材料特性検証を担当し、MRCが積層造形用マグネシウム合金部品の選定を担当し、東邦金属がマグネシウム合金線材の製造方法の開発を担当し、JAXAがマグネシウム合金積層造形サンプルの評価とロケット軽量化への影響評価を担当する。

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