金属3Dプリントの効率とコストのボトルネックを打破し、半導体や新エネルギーの製造を目指す

出典: New Materials Online

海外メディアは、Appleがスマートウォッチのスチール製シャーシの製造に3Dプリントを利用しようとしていると報じ、このニュースは3Dプリント業界に波紋を巻き起こした。これは、金属の大量 3D プリントの技術的成熟がさらに一歩前進したことを意味します。

しかし、3Dプリントの提案以来、製造コストや効率などのボトルネック問題は未解決のままです。特に産業用途の付加製造においては、コストにあまり敏感でない航空宇宙、軍事産業、医療などのハイエンド機器の分野で顧客基盤の拡大が続いています。 3Dプリンティングを国民経済や国民生活に関わるより幅広い分野に浸透させる方法は、早急に解決しなければならない難しい問題です。

工業用途では、直接使用できる最終的な機能部品を製造できる PBF (粉末床溶融結合) レーザー直接金属 3D プリントが現在主な方法となっています。巨大な 3D 印刷チームの中で、Sublimation 3D は異なるアプローチを採用し、3D 印刷と従来の粉末冶金プロセスを組み合わせた間接 3D 印刷技術を開発して、製品の生産サイクルを短縮し、生産コストを削減し、製品のパフォーマンスと生産効率を向上させました。

共同創業者のLiu Ye氏は、昇華3Dルートは、金属やセラミックの3Dプリントの大量生産を実現するのに最適な選択肢だと考えています。

01
従来の製造業と密接に結びついた3Dプリント技術を開放する

Sublimation 3D の間接 3D 印刷技術の提案は、Liu Ye 氏ともう 1 人の創業者である Wu Min 氏の粉末冶金の専門知識に対する深い理解から生まれました。

象牙の塔を去る前、劉野さんと呉敏さんは中南大学粉末冶金研究所の同級生でした。 2013年、卒業後、ウー・ミンはフォックスコンに入社し、3Dプリンティングに触れました。一方、リウ・イエは厦門タングステン株式会社と新威通信に相次いで入社し、粉末冶金圧縮成形と射出成形技術の研究を続けました。

現在、金属 3D プリンティングは国際的に初期の開発段階に入っています。Wohlers Associates のレポートによると、2013 年には合計 348 台の金属 3D プリンターが販売され、前年比 75.8% という驚異的な増加を記録しました。

初めて金属3Dプリントに触れたウー・ミンさんは、深い感動を覚え、それを深く探求し始めました。従来の製造技術と比較して、金属 3D プリントでは、ソフトウェアを通じてわずか数時間で金属部品を迅速に構築できます。ただし、このプロセスは非常に高価であり、通常は航空宇宙産業で金属部品の試作品を作成するために使用されます。

金属 3D プリントのコストが高いのは、機器、材料、印刷時間という 3 つの側面によるものです。設備面では、金属 3D プリンター設備には直接金属レーザー焼結技術があり、強力な高エネルギーレーザービームを使用して金属粉末を層ごとに焼結して固体部品にします。

劉野氏は、レーザーが存在するため、通常サイズの印刷用の印刷装置の価格は200万元以上になるだろうと回想した。当時、次世代の航空宇宙および医療製品向けの複雑な金属部品を準備するために金属 3D プリントを使用していたのは、エアバス、ゼネラル・エレクトリック、リマ・コーポレートのみだったと理解されています。

また、当時の金属印刷方法は、ブランクから固まった一体成形品まで印刷するため、印刷コストが非常に高かった。「1つの製品を印刷する単価と100個の製品を印刷する単価に違いはありません。大量生産のメリットはありません」とLiu Ye氏はNew Materials Online®に語った。

印刷消耗品の問題も、もうひとつのハードルとなっています。SLM印刷技術は粉末印刷と成形技術を採用しており、粉末粒子には酸素含有量が低く、球形度が高く、分散性と流動性が良好で、粒度分布が狭いことなどが求められ、必要な粒子サイズにも厳しい要件が課せられます。

粉末冶金に関する知識を基に、ウー・ミン氏は金属 3D プリントが粉末冶金の補完技術となることを敏感に判断しました。彼の専門知識と既存の 3D プリント技術を組み合わせることで、金属 3D プリントのコストを削減できる可能性があります。

そこでウー・ミンは、この行き詰まりから抜け出す方法を探すために、昔の同級生のリウ・イエに連絡を取った。

SLM 印刷ルートを研究した後、Liu Ye 氏は、その原理は、高エネルギーレーザーを使用して金属粉末を点から線、そして面へと結合させ、緻密化を形成し、粉末から完成品までのプロセスを 1 つのステップで完了することであることを発見しました。 2人は、高エネルギーレーザーの代わりにポリマー材料を使用し、最初に金属粉末を結合してブランクを印刷し、次に使い慣れた粉末冶金法を使用して焼結できないかと考えました。

3D プリントは金属 3D プリントと非金属 3D プリントに分けられます。当時、FDM などのポリマー 3D プリントルートはすでに比較的成熟していました。2 人がポリマー結合金属粉末を使用してブランクをプリントすることを提案したきっかけは、ポリマー 3D プリントの原理でした。

「これは、単純な FDM 印刷装置を改造するだけで金属 3D 印刷を実現できることを意味します」と Liu Ye 氏は興奮気味に語った。そこで、二人は主流のSLMルートを迂回して高エネルギーレーザー統合成形ルートを採用することを決定し、粉末押出3Dプリント技術（PEP）を革新的に提案しました。

「中国における間接3Dプリントのアイデアは、Sublimation 3Dによって初めて提案されました。PEPは、3Dプリントの準備プロセスを印刷と後処理に分けます。3Dプリントは粉末冶金プロセスにおける生産リンクのようなもので、主に金属粉末とバインダーを層ごとに融合させてグリーンボディを形成する原材料を印刷する役割を担っています。製品の性能を真にテストするための鍵は、その後の処理、つまり粉末冶金プロセスにあります。」

Liu Ye 氏は New Materials Online® に対し、間接 3D 印刷技術ルートは学際的なイノベーションであり、さまざまなプロセスフローの間には強い結合関係があると語った。

02
設備と生産コストは管理されている

2015年、Liu Ye氏と彼の同僚は自分たちのアイデアを実践することを決意しました。

PEP では高価な高エネルギーレーザーを使用しないため、機器の購入価格が大幅に下がります。 Liu Ye 氏は New Materials Online® に、PEP 印刷の原理はポリマー材料の印刷における FDM 技術に似ていると紹介しました。重要な違いの 1 つは、押し出しシステムの設計にあります。FDM はポリマー材料しか印刷できません。

チームは、FDM 技術の押し出しコンセプトに基づいて、粒状材料を印刷できる供給装置に再設計し、複雑な金属構造をよりシンプルなプリンターで印刷できるようにしました。

設備が完成したら、印刷材料を合わせる必要があります。多くの金属材料の中でも、ステンレス鋼は金属射出成形の分野で非常に成熟した材料システムであり、生産設備とサポート設備を簡単にまとめることができます。「当時、私たちには焼結炉がありませんでした。ステンレス鋼材料を選択した場合、ブランクを印刷するだけで、焼結を手伝ってくれる友人を簡単に見つけることができました。」

そのため、チームは印刷する最初の金属材料としてステンレス鋼を選択しました。「最初に印刷された製品はネジでした。私と呉敏は印刷現場に1日1晩滞在しました。幸運にも、印刷に成功しました。」劉野は興奮して思い出しました。ブランクが印刷された後、彼は誰かに脱脂と焼結を手伝ってもらい、最初の製品が無事に生産されました。

間接的な3Dプリント技術であるPEPは、印刷と硬化を一体化したSLM技術と比較して、マトリックスレイアウトで印刷し、ブランクをバッチ処理してから、バッチ脱脂と焼結を行うことができます。「焼結炉はレンガを焼く窯のように非常に大きくすることができ、一度に大量の焼結を完了することができます。」これは、より低コストのバッチ金属3Dプリント技術のルートが開かれたことを意味します。

「直接 3D 印刷では、製品を 1 個印刷しても 100 個印刷しても、1 個のコストは同じです。間接 3D 印刷では、印刷する数が増えるほどコストが低くなります。」

配合の修正とプロセスの調整を繰り返すうちに、印刷された部品の品質はますます理想的になり、粉末冶金技術のレベルに徐々に近づき、Liu Ye と Wu Min はますます興奮しました。

しかし、彼らの興奮は長くは続かず、現実は彼らに冷や水を浴びせかけました。この技術が業界や投資家に宣伝されたとき、その概念があまりにも馴染みがなかったために人気が出なかったことが分かりました。

ちょうど私が落胆していたとき、2017年5月に事態は好転しました。

MITの教授が設立したデスクトップメタルという海外企業も間接金属3Dプリント方式を立ち上げ、フォードやBMWなどの企業から投資を受け、当時の3Dプリント業界最大のダークホースになっていたことが判明した。 Desktop Metal が国内の専門メディアで報道された後、Sublimation 3D チームは、彼らが発表した新しい印刷技術が自社の技術と類似していることを発見しました。

「ニュースが報道された後、私たちは自分たちだけではないということ、そして彼らよりも早くそれを成し遂げていることを知りました。」これがチームに新たな希望を与えた。海外事例の「裏付け」により、チームは2017年6月に投資機関からの資金調達に成功。同時にSublimation 3Dも設立された。

Sublimation 3D の急速な発展により、より多くの優秀な人材が参加するようになりました。 PEP技術も徐々に成熟し、同社はニューサウスウェールズ大学の材料科学博士である熊鑫潤氏を新たなパートナーとして迎えることに成功しました。彼女は国際的な視点と高度な研究開発管理経験をもたらし、Sublimation 3Dの発展の方向に国際色と新たな原動力を加えました。

この時、多くの同僚もその知らせを聞いてやって来たが、すぐにまた敗退した。「PEP技術には産業との連携が必要です。研究開発設備だけでなく、サポート材料や粉末冶金プロセス方法も必要です。」劉イエ氏は、これが昇華型三次元間接金属3Dプリントの技術的限界点になったと誇らしげに語った。

03
より柔軟なアプリケーション領域を開拓

金属 3D プリントにおけるコスト削減と効率化に成功した Sublimation 3D は、次に何をすべきでしょうか?

現在、国内で金属3Dプリントを行っている企業の中で、ポリライトやファースーンハイテックなどの上場企業はSLMルートを採用しており、主な顧客は依然として軍事産業、航空宇宙、医療などのハイエンド分野の顧客です。

同じく間接的な金属3Dプリントのルートを採用しているデスクトップメタルは、自動車分野だけでもすでにフォードから部品の注文を、BMWからパワートレイン部品の注文を受けている。

「資本だけに頼っていては生き残りが問題になる」。サブリメーション3Dは、打開策を見つけようと決意した。

Sublimation 3D社も国内の自動車業界の顧客獲得を試みましたが、同じ技術を中国で宣伝するのは難しいことがわかりました。劉野氏は、いくつかの大きな要因があると分析した。第一に、燃料自動車は現在、新エネルギー自動車の分野に発展しており、大きな競争圧力に直面しているため、新しい技術を採用する時間がない。第二に、燃料自動車の部品製造プロセスはすでに非常に成熟しており、コストが限界に達している。新しい技術を使用すると、むしろ製造コストが上昇するだろう。

幸いなことに、PEP テクノロジーに基づいて、Sublimation 3D はアプリケーションの探索においてより柔軟な戦略を採用できます。

「PEP技術は『両端が広い』です。3Dプリント部分は真ん中の最小のリンクです。一方の端は幅広い適応性を持つ材料システムであり、もう一方の端は焼結であり、これも幅広い焼結装置とプロセスに適応できます。」

Sublimation 3D は、材料の幅広い適応性に頼って、アプリケーションシナリオに参入するためのコア次元として材料を使用することを決定しました。 Sublimation 3Dは耐火合金材料システムを開発しました。「SLMは耐火合金などの材料の印刷が困難です。これがPEPの利点であり、差別化を図ることができます。」とLiu Ye氏は述べました。

高密度タングステン合金 3D プリントを例に挙げてみましょう。タングステンは、その硬さと極めて高い融点のため、克服するのが難しい3Dプリント材料です。PEPプロセスの低温成形と高温成形の利点に基づいて、タングステン材料の加工で非常に発生しやすい変形、亀裂、挟み込みなどの欠陥を効果的に解決します。複雑な構造のニーズを満たし、強度、耐久性、コスト削減を向上させるとともに、優れた均一性、機械的特性、熱的特性も実現します。

耐火金属に加えて、炭化ケイ素や窒化ケイ素などのセラミックにも PEP 技術を使用できます。炭化ケイ素は特殊セラミックとして、航空宇宙、半導体、新エネルギーなどさまざまな先端製造分野で広く使用されています。

例えば、ウェーハ製造の過程で、一般的に使用されている石英ウェーハキャリアは、その製造プロセスと石英材料の特性により、耐用年数がわずか3〜6か月です。一方、シリコンカーバイドウェーハキャリアは石英に代わるもので、耐用年数は5年以上です。「現在、ほとんどのシリコンカーバイドウェーハキャリアは海外からの輸入品に依存していますが、これは高価で、納品までに少なくとも6か月かかります。」

しかし、炭化ケイ素セラミック材料は欠陥に対する感受性が高く、高温焼結時に変形が大きく、焼結後の加工が難しいなどの特性があるため、金型成形技術を用いて大型で複雑な構造の炭化ケイ素製品を製造することは困難です。

Sublimation 3D は PEP テクノロジーを通じて、伝統的な産業分野における革新を模索しています。

04
3Dプリンティングと従来の製造業の統合と発展を促進する

より高度な金属 3D プリント技術により、当社は伝統的な産業分野における革新を模索し、3 次元を昇華させて長期的な目標を達成します。

しかし、優れた鍛冶屋には強力な道具が必要です。現在、Sublimation 3Dは、材料開発、印刷材料、内部混合造粒機、3Dプリンター、脱脂および焼結炉などのプロセスチェーン設備全体を網羅する、完全な金属/セラミック間接3D印刷前および後処理プロセスを構築し、高性能の間接3D印刷総合ソリューションを形成しています。

「プリンターをキャリアとし、材料をコアとして、昇華3Dはさまざまな分野に応用できます。」劉イエ氏はさらに、「PEP技術は現在、プロセスシステムの蓄積を完了しています。たとえば、材料配合の開発はデータベースを形成しています。データベースに基づいて他の成形方法の材料を開発することが容易になり、サイクルも短くなります。」と紹介しました。

2024年、Sublimation 3Dは新たな目標を設定しました。「印刷設備に関しては、コアPEP技術をさらに改良し、傾斜構造材料を印刷できる3D印刷設備を発売し、大学、研究機関、企業顧客の複合材料、機能性傾斜材料、製品開発のニーズを満たします。同時に、タングステン合金、純銅、超硬合金、炭化ケイ素、窒化ケイ素などの特殊材料の応用市場をさらに開拓します。」

イノベーションから創造まで、Sublime 3D は 3D プリント技術の応用と普及の促進にも注力しています。「昇華3Dは今後も革新を続け、設備生産、材料開発、製品製造、印刷サービスを統合した総合的なレイアウトを形成していきます。私たちは果敢にアプリケーションの境界を拡大し、伝統的な製造のインテリジェントなアップグレードを加速し、付加製造業界の高品質な発展を促進するためにより多くの価値を創造していきます。」

自己紹介:

深セン盛華3Dテクノロジー株式会社の共同創設者である劉イエ氏は、粉末押出3Dプリント（PEP）技術の発明者の一人であり、80件以上の特許を申請しています。中南大学粉末冶金研究所材料科学博士、中南大学深セン校友会理事、深セン市産業情報技術局高品質産業発展シンクタンク専門家、深セン市国家ハイテク産業イノベーションセンター専門家、深セン市光明区インテリジェント製造協会理事。

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