FAST/SPS スパークプラズマ焼結技術は積層造形にとってどのような意味を持つのでしょうか?

FAST/SPS スパークプラズマ焼結技術は積層造形にとってどのような意味を持つのでしょうか?
2024 年 4 月、Antarctic Bear は、ミュンヘンで開催された Ceramitec 展示会で、ExOne (Desktop Metal の一部) が、後処理の浸透を伴わないバインダー ジェッティング法で製造された、完全焼結かつ完全高密度のシリコン カーバイド (SiC) 部品を初めて実演したことを知りました。この部品は FAST/SPS 技術を使用して焼結されています。FAST/SPS は、Field Assisted Sintering Technology または Spark Plasma Sintering の略称です。では、この技術とは何でしょうか?焼結ベースの付加製造にとって、これは何を意味するのでしょうか?


△50トンハイブリッドFAST/SPS生産システム、オプションで充填・排出用のABB産業用ロボット2台搭載

FAST/SPS技術の開発

FAST/SPS は、ドイツの FCT Systeme が開発した最先端の放電プラズマ焼結技術であり、セラミックスと金属の分野におけるさまざまな粉末の統合に革命をもたらしました。過去 10 年間にわたり、大量の科学的研究によって、放電プラズマ焼結が粉末を急速に固める能力があることが実証されており、この技術は、金属、合金、金属間化合物、ホウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物、酸化物、複合材料、特殊材料システムなど、さまざまな材料クラスで幅広く研究されてきました。

FAST/SPS 技術は、粉末または金型に直接 DC パルス電流を流し、電流によって発生する熱効果を利用して材料を加熱する高度な粉末材料焼結技術です。従来の焼結技術とは異なり、FAST/SPS は材料をより短時間で高密度に焼結できるだけでなく、優れた性能と均一性を備えた新しい材料も生産できます。

FAST/SPSプロセスでは、粉末粒子間の接触点が熱源となり、放電部分がプラズマ状態となるため、この現象はスパークプラズマ焼結と呼ばれ、粉末圧縮製品の体積加熱を均一にすることができ、ミクロレベルでの精密なエネルギー分布を実現し、材料の焼結と結晶化を促進します。

FAST/SPS の主な機能は次のとおりです。
●高速焼結：焼結工程を短時間で完了できるため、生産効率が向上します。
●高密度材料：高密度材料を生産して製品性能を向上させることができます。
●材料の多様性：様々なセラミックスや金属粉末に適用でき、材料の適用範囲が広がります。
●エネルギー集中：電流が粉末や金型に直接流れるため、焼結が必要な部分にエネルギーが集中し、エネルギーの損失が低減します。
●温度制御：焼結温度を正確に制御し、材料の品質を確保します。

フランスの企業 Norimat は 2016 年以来、3D プリントと放電プラズマ焼結を組み合わせた独自の FAST/SPS プロセスを商品化しています。 Norimat プロセスは、ExOne バインダー ジェット 3D プリント部品に使用でき、複雑な形状の部品を 1 ステップで高速に焼結できます。その結果、優れた性能特性を備えた幾何学的に複雑な部品を迅速に生産できるようになります。

しかし、FCT Systemeは、これらの研究は主に科学研究の分野で成果を上げており、工業規模の生産への移行には依然として大きな課題が残っていると指摘している。工業製造では、大規模生産の特有の要求を満たすためにコスト効率を最適化するカスタマイズされた機器が必要です。

FCT Systeme GmbHは放電プラズマ焼結技術機器を専門とするドイツの企業であり、NorimatはSPS/FAST技術を使用して高性能部品を生産する企業です。 Norimat は、SPS/FAST テクノロジーにおける技術と専門知識を共有することで、複雑な形状と材料特性に対する顧客のニーズを満たす製品開発と最適化をサポートします。 FCT Systeme と Norimat は SPS/FAST 技術分野で緊密な協力関係にあり、この高度な焼結技術の応用と開発を共同で推進していると言えます。

粉末の急速固化のための FAST/SPS <br /> スパークプラズマ焼結とその最新版（FAST/SPS と呼ばれる）は、従来のホットプレスから派生した焼結技術です。したがって、FAST/SPS システムには、水冷容器、油圧システム、温度と力の測定と制御を使用したコンピューター支援プロセス制御、および容器内の真空と雰囲気を制御するシステムが含まれます。従来のヒートプレスとの最大の違いは、加熱要素がないことと、従来の容器断熱材がないことです。特殊な電源システムを使用して、水冷式の機械パンチに高電流を供給します。この機械パンチは同時に電極としても機能し、プレス工具とその中に入っている粉末成形体に直接高電流を供給します。


△FCTシステム

この特殊な構造により、ジュール熱を使用してプレス工具とそれに含まれる粉末の均一な体積加熱が可能になり、高い加熱速度でも熱勾配が小さくなります。一方、従来の焼結方法では、熱勾配によって妨げられ、中程度の加熱速度しか得られず、均質化のために長い滞留時間が必要になります。

スパークプラズマ焼結 (SPS) は、従来のプロセスと比較して材料特性が向上した高性能サンプルを製造できます。ただし、サンプルが大きくなるにつれて、部品内部の温度勾配の制御が難しくなり、次の 3 つの課題が生じます。
● 材料の溶融：特に焼結温度が融点に近い金属。
●微細構造の不均一性：温度は密度と粒径に大きく影響し、最終部品の物理的特性に影響を与えます。
●色の問題：一部の素材に使用されている顔料は温度に非常に敏感であるため、最終部品に色ムラが生じる可能性があります。


△FCTシステム

SPS ユーザーは、大きなサンプルであっても部品内の熱勾配を制限するための幅広いツールにアクセスできるようになりました。 Norimat 氏は、炭素繊維強化プレートの使用と金型設計の最適化に基づく 2 つの例を紹介しました。炭素繊維強化プレート (CFC) は、焼結部品内の熱勾配を制限し、全体的な SPS 電力を削減できるため、SPS 分野でますます使用されています。
● 100 mm ジルコニアサンプルの場合、パンチとダイのシムの間に CFC プレートを使用すると、熱勾配を約 75% 低減できます。ただし、結果として得られる 51°C の勾配は、一部のアプリケーションにとってはまだ高すぎます。
●CFCボードに加え、金型設計の最適化も可能です。同じ 100 mm のジルコニア サンプルの場合、より高く、わずかに薄い金型を使用すると、温度勾配はわずか 12°C に低下します。ジルコニア内でこの程度の温度差があれば、密度や微細構造の違いは予想されないため、SPS は高性能材料を製造するための価値ある信頼性の高い製造プロセスとなります。

FCT Systeme は、下の図で FAST/SPS のもう 1 つの大きな利点を示しています。加熱電力は、マクロ スケールで粉末圧縮体の体積全体に均等に分散されるだけでなく、エネルギーが必要な場所に正確に分散されます。焼結プロセス、つまり粉末粒子の接触点において。その結果、粒成長が少なくなり、粉末の分解が抑制され、焼結挙動が良好になります。粉末の種類に応じて、追加の有益な効果として、エレクトロマイグレーションやマイクロプラズマ生成などがあります。

△ FAST/SPSと従来のホットプレスの比較

積層造形のためのFAST/SPS
Norimat の FAST/SPS プロセスでは、高強度パルス電流がグラファイト ツールに流され、100°C/分を超える高速加熱および冷却が可能になります。つまり、他の焼結技術では数時間かかるところ、FAST/SPS プロセスではわずか数分で高温に到達します。この粉末冶金技術の主な利点は、処理中に有機バインダーが存在しないことです。有機バインダーがあると、焼結中に欠陥が生じ、材料内に残留応力が生じる可能性があります。

この短縮された処理サイクルと急速な加熱速度の組み合わせにより、材料の微細構造が改良され、焼結材料の機械的特性が向上します。これらの利点のおかげで、この粉末焼結プロセスは、高性能で革新的な材料（複合材料、硬質金属、金属合金、耐火物）を簡単に製造するために使用できます。

さらに、このプロセスは材料内の粒成長を防ぎ、微細な微細構造を維持し、200°C ～ 2400°C の間であらゆる材料を 99.5% の密度まで高密度化することができ、材料の無駄は 1% 未満です。

Norimat 社は、Engemini 現場支援焼結技術、スパークプラズマ焼結 (FAST/SPS) シミュレーション ツールも開発しました。このモデルにより、すべての FAST/SPS ユーザーは数値実験を実行して、物理的な焼結プロセス中の部品とグラファイト型の熱的および機械的変化を判断できます。

FAST/SPS産業用アプリケーション要件
新材料の急速な固化のための FAST/SPS 焼結法の産業応用には、装置が満たさなければならない特別な機能が必要です。

●高いスループットを確保するには、システムが十分な電力出力を供給する必要があります。必要な場所で高い加熱力を発生させるために、システム内の電気損失は低く抑えられます。必要な電力の実際の値は、粉末圧縮体とプレス工具のサイズと材質、および必要な加熱速度と最高温度によって異なります。

●粉末の種類に応じて、いくつかの異なる焼結メカニズムが可能です。したがって、出力と材料品質の点で最高の焼結結果を達成するには、柔軟性の高い電源が重要です。 FAST/SPS システムは、任意のコンピュータ制御パルス パラメータを使用して、純粋な DC に至るまで、広範囲のパルス DC を生成できます。

●正しい焼結温度は、時間と加熱速度の他に最も重要なプロセスパラメータです。 FAST/SPS システムは特殊な設計により、粉末成形体の中心付近の温度を測定します。この温度は、金型温度の測定よりも重要な値を提供します。

●ハードウェア面では、FAST/SPS システムの特殊な構造により、2 つのスタンピング パンチ、ダイ、およびその他の補助コンポーネントで構成されるスタンピング ツール システムがシステムの「心臓部」となり、粉末成形体を格納するだけでなく、「ヒーター」としても機能します (成形体と相互作用します)。


△ExOne/Desktop MetalはFAST/SPS技術を使用してシリコンカーバイド3Dプリント部品を焼結

高スループットFAST/SPS産業用アプリケーション
FAST/SPS 焼結技術の最初の産業用途の 1 つは、さまざまな機能表面層で物体をコーティングするためのスパッタリング ターゲットなど、プレート状の大面積物体の製造でした。ハイブリッド FAST/SPS システムは、これらの部品の大量生産に最適です。

FCT Systeme は、小型部品 (5 ～ 25 mm) の大量生産向けに、最先端の粉末圧縮技術と FAST/SPS 焼結法を組み合わせた「FAST2」(FAST square = fast FAST) と呼ばれる特別な FAST/SPS システム シリーズを開発しました。このシステムは、粉末処理、統合プレス ツールの充填、焼結しやすい部品の排出など、高速かつ完全に自動化された操作を実現するものです。このようなシステムは、実際の材料の焼結特性と部品のサイズに応じて、1 分あたり最大 6 個の部品の処理速度を達成できます。

FAST/SPS 技術は今後も重要な研究分野であり、新材料の開発を促進し、既存材料の性能を向上させていきます。 Antarctic Bear は、技術の進歩と市場の需要により、FAST/SPS 技術が将来的にさらに大きな役割を果たすようになると考えています。

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