添加剤メーカーが新しいアルミニウム合金Aheadd CP1に注目

レースや航空宇宙などの業界では軽量化が最優先事項であるため、最近では多くのメーカーがレーシングカーやロケットなどのさまざまな部品の 3D プリントに F357 や AlSi10Mg などの軽量アルミニウム - シリコン - マグネシウム合金を採用しています。 2024年6月7日、Antarctic Bearは、新しいアルミニウム合金であるAheadd CP1が、多くの積層造形ユーザーの間での採用において、アルミニウム-シリコン-マグネシウム合金を上回ったことを知りました。

Aheadd CP1 は、世界有数のアルミニウム製品およびソリューションプロバイダーである Constellium が金属レーザー粉末ベッド融合 (LPBF) 3D プリンター向けに特別に設計したアルミニウム - ジルコニウム - 鉄合金です。用途に応じて、より高価なチタン合金はアルミニウム合金よりも優れた強度対重量比を持ちますが、銅合金はより優れた熱伝達係数を提供し、マグネシウム合金は密度が低く、電気化学ポテンシャルが高い場合があります。しかし、積層造形部品のコスト、性能、製造可能性を最適化しようとする場合、アルミニウム合金はこれら 3 つの目的すべてを非常に効果的に達成できます。アルミニウムマグネシウム合金は、従来の鋳造に長年使用されてきた既存の材料を改良することで、積層造形に適したものとなり、アルミニウムマグネシウム合金から作られたさまざまな 3D プリント部品が複数の業界で優れたパフォーマンスを発揮しています。

Aheadd CP1合金の利点

CP1 は、積層造形プロセス特有の厳しさを考慮してゼロから作成、調整、設計されたため、メーカーが他のアルミニウム合金を使用する際に克服しなければならない課題の一部を回避できます。

これらの合金の共通点はアルミニウムですが、CP1 にはジルコニウムと鉄が含まれ、F357、AlSi10Mg などの合金にはシリコンとマグネシウムが含まれます。 CP1 は、固相線温度が高く、マグネシウムを含まず (ろう付けに適している)、シリコン含有量が低い (溶接時に多孔性が生じる可能性がある) ため、従来の材料とのろう付けや溶接が必要な場合に選択される合金になりつつあります。

CP1 のもう 1 つの利点: F357 で部品を印刷した後、製造業者は、溶解処理、急冷、エージングの 3 つの個別の手順を使用して部品を熱処理する必要があります。 AlSi10Mg などの他のアルミニウム - シリコン - マグネシウム合金は熱処理が容易ですが、強度、耐腐食性、陽極酸化処理能力などの他の材料特性は多くの用途のニーズを満たしていません。一方、CP1 部品には 4 時間の極低温処理プロセスのみが必要なため、時間とコストを大幅に節約でき、高温で処理するときに発生する可能性のある熱変形を回避できます。 CP1 は、本来の耐腐食性に加え、最高 300°C まで安定した微細構造を示すため、完成部品は熱交換器などの貴重な高温用途において性能をより適切に維持できます。

CP1 は等方性であるため、Constellium は、CP1 で作られた部品は、ビルドプレート上での形状の向きに関係なく、同じ機械的特性を持つことを実証しました。これによりセットアップ時間が簡素化され、AM エンジニアは表面仕上げやパフォーマンスなど、その他の必要な特性を最適化できるようになります。

CP1 組成の重要な副次的利点は、ワンステップの熱処理によりジルコニウム相と鉄相が沈殿し、高い電気伝導性と熱伝導性を備えたほぼ純粋なアルミニウムマトリックスが得られることです。テストの結果、その電気伝導性は、より高価な非アルミニウム合金と同等かそれ以上であることが分かりました。（熱処理後のCP1の熱伝導率は187 W/mK、F357の標準値は約150 W/mK、標準AMチタン合金Ti6Al4Vは約6.7 W/mKです。）

CP1 の利点により、積層造形、半導体、一般産業、モータースポーツ、航空宇宙などの幅広い用途に適しています。

CP1を産業分野で活用した実体験

PWR は、高性能モータースポーツ向けの冷却システム技術 (ラジエーターおよび熱交換器) の世界的なサプライヤーです。 PWR はフォーミュラ 1、NASCAR、その他のレース関連団体と緊密に連携しており、最近では電子機器、軍事、航空宇宙産業にも進出しています。

「積層造形は熱交換器製造に大きな可能性を示しており、PWR はアルミニウムの印刷に Velo3D AM システムを採用した最初の企業です」と、PWR の積層造形エンジニアである Toby Maconachie 氏は述べています。「従来の製造技術と積層造形技術を組み合わせることができることは、非常に競争の激しい市場で優位に立つための 1 つの方法です。」 PWR は、最先端の熱交換器の最も精巧な内部構成の場合、達成可能な最小フィーチャサイズの点では、従来の薄箔技術が依然として 3D 印刷技術よりも優れていることを発見しました。しかし、冷却システムにおける流体の分配などの他の用途では、AM は複雑な形状や入り組んだ内部構造に優れています。

CP1の材料特性

PWR の成功事例のほとんどは添加材料によって組み立てられており、PWR は F357 から CP1 に切り替え、これらの複合コンポーネントをろう付けおよび急速熱処理しました。 PWR では通常、ハード陽極酸化処理または化学エッチングを使用して製品を処理しますが、F357 では処理中に過度の「汚れ」が発生するという問題がありました。「PWR が Constellium から CP1 サンプルを受け取った後、最初にテストしたのは、どのような表面処理を適用できるかでした」と Toby Maconachie 氏は語ります。「CP1 は従来のコンポーネントと基本的に同等の性能があり、必要に応じて陽極酸化処理やエッチング処理が簡単に行えることがわかりました。」

CP1 の安定性により、厚い粉末層を堆積することが可能になり、厚い粉末層を必要とするアプリケーションでは、層を 50 ミクロンから 100 ミクロンに増やすことで、総印刷時間を最大 60% 短縮できることがメーカーによって判明しました。また、電気エネルギーの消費量も削減され、印刷あたりのアルゴンガスの消費量も減ります。「CP1 のこの機能は、まさにゲームチェンジャーです」と Toby Maconachie 氏は語ります。「これまで、AM マシンのスループットとそれに伴う生産コストが、顧客が AM ソリューションを採用する上での主な障壁となっていましたが、100 ミクロンの層厚と大幅に短縮された印刷時間により、AM テクノロジーはより実現可能になりました。」

CP1の開発見通し

「PWR の既存の AM システムの両方を CP1 合金システムに変換するのは簡単なことでした。PWR は Velo3D と緊密に連携して、材料が製造要件を満たしていることを確認しました。新しい合金 CP1 は、PWR のさらなる製品革新への扉を開きます。2026 年に予定されているフォーミュラ 1 の規則変更により、重量制限によって熱性能のバランスが変わり、AM は重量とコストの面で競争力を持つようになる可能性があります。PWR では、チームと協力して完全に統合された AM 熱交換器の開発に取り組んでいます」と Toby Maconachie 氏は述べています。

今後の道筋は明確です。F1やその他の世界的なモータースポーツを統括するFIAは最近、2024年シーズンからF1マシンにAheadd CP1合金を使用することを承認しました。

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