MITの研究者らは、同様の金属付加プロセスよりも10倍高速な液体金属3Dプリント技術を開発しました。

2024年1月25日、アンタークティックベアは、MITの研究者がわずか数分でテーブルの脚や椅子のフレームなどの大きな部品を製造できる新しい液体金属高速印刷技術を開発したことを知りました。液体金属印刷（LMP）技術では、溶融アルミニウムを所定の経路に沿って小さなガラスビーズの上に堆積させ、その後すぐに硬化させて 3D 構造にします。研究者らは、LMP は同等の金属付加製造プロセスよりも少なくとも 10 倍高速であり、金属を加熱して溶解するプロセスは他の方法よりも効率的であると述べています。
LMP テクノロジーでは、速度とスケールのために解像度が犠牲になります。通常はより低速の付加的技術を使用して作成される部品よりも大きな部品をより低コストで印刷できますが、高解像度を実現することはできません。たとえば、LMP で製造された部品は、大規模な構造物のコンポーネントに非常に細かいディテールが要求されないことが多い、建築、建設、工業デザインの特定の用途に適しています。また、リサイクル金属やスクラップ金属を効果的に活用して、迅速なプロトタイピングを行うこともできます。

最近の研究では、MITの研究者らは、後処理に耐えられるほどの強度を持つテーブルや椅子のアルミフレームや部品を印刷することで、このプロセスを実証した。彼らは、LMP で作られたコンポーネントを高解像度のプロセスと付加的な材料と組み合わせて機能的な家具を作成する方法を実証しました。
「これは金属加工に対する考え方とはまったく異なる方向性であり、大きな利点もあります」と、MIT 建築学部准教授でセルフアセンブリラボの共同ディレクターを務めるスカイラーティビッツ氏は言います。「欠点もあります。しかし、テーブル、椅子、建物など、私たちの身の回りにある建造物のほとんどには、非常に高い解像度は必要ありません。速度とスケール、そして再現性とエネルギー消費が重要です。」
△液体金属印刷プロセスでは、溶融アルミニウムを所定の経路に沿って小さなガラスビーズの層の上に堆積させます。出典: MIT 自己組織化ラボ。
ティビッツ氏は、現在ETHチューリッヒの博士課程に在籍する筆頭著者のザイン・カーサンSM ’23、および研究科学者で研究室の共同ディレクターのキンボール・カイザーSM ’22とジャレッド・ラックス氏とともにこの論文に取り組みました。この研究は、建築におけるコンピュータ支援設計協会の会議で発表され、最近、同協会の会議議事録に掲載されました。
関連論文のダウンロードリンク: https://static1.squarespace.com/static/58977341414fb5309fc954e6/t/65aee0cdbd9c1e50b009b2b7/1705959629800/ACADIA+23+Proceedings_LMP.pdf
高速製造の利点<br /> ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) は、部品を造形するための一般的な金属印刷方法であり、大規模で低解像度の構造物も製造できます。ただし、これらの材料は、印刷プロセス中に特定の部分を再溶融する必要があるため、ひび割れや変形が発生しやすくなります。
一方、LMP ではプロセス全体を通じて材料を溶融状態に維持し、再溶融によって生じる構造上の問題を回避します。研究者らは、同グループがこれまでに行ってきたゴムの急速液体印刷に関する研究を基に、アルミニウムを溶かし、溶融金属を封じ込め、ノズルから高速で吐出できる機械を開発した。大型部品はわずか数秒で印刷でき、溶融アルミニウムは数分以内に冷却されます。
「当社の造形速度は非常に速いのですが、制御が非常に難しいのです」とカーサン氏は言う。「蛇口をひねるようなものです。溶かす材料が大量にあり、それには時間がかかりますが、いったん溶けてしまえば、蛇口をひねるのと同じです。これにより、これらの形状を非常に速く印刷できます。」
△LMPプロセスは複雑な形状を印刷できます。出典: MIT 自己組織化ラボ研究チームがアルミニウムを選んだのは、アルミニウムが製造業で一般的に使用されており、安価かつ効率的にリサイクルできるためです。「食パンほどの大きさのアルミニウム塊を電気炉に入れる。これは基本的にトースターを大きくしたようなものだ」とカーサン氏は言う。「炉内の金属コイルが金属をアルミニウムの融点である660度よりわずかに高い700度まで加熱する」
アルミニウムはグラファイトるつぼ内で高温に保たれ、その後、溶融材料は重力によってセラミックノズルから所定の経路に沿ってプリントベッドに供給されます。彼らは、溶かすことができるアルミニウムの量が増えるほど、プリンターの速度が速くなることを発見しました。
「溶融アルミニウムは、その進路にあるほぼすべてのものを破壊します」とカーサン氏は言う。「私たちはステンレス製のノズルから始め、次にチタン製のノズルに移行し、最終的にセラミック製のノズルに移行しました。しかし、ノズルの先端の加熱が常に完全に均一であるとは限らないため、セラミック製のノズルでも詰まることがあります。」
溶融材料を粒状物質に直接注入することで、研究者らはアルミニウム構造を支えるためのサポートを印刷する必要がなくなりました。
△研究者は、液体金属印刷プロセスの供給速度を調整して、ノズルの移動に合わせて材料の量を増減させ、印刷物の形状を変えることができます。出典: MIT 自己組織化ラボ
実験プロセス<br /> 研究者たちは、グラファイト粉末や塩など、プリントベッドを充填するためのさまざまな材料を試した後、100ミクロンのガラスビーズに落ち着きました。小さなガラスビーズは、溶融アルミニウムの非常に高い温度に耐えることができ、中性懸濁液として機能して金属を急速に冷却することができます。「ガラスビーズは非常に細かいので、手に持ったときに絹のような感触です」とティビッツ氏は言う。「粉末は非常に小さいので、印刷された物体の表面特性をほとんど変えません。」
るつぼ内の溶融材料の量、プリントベッドの深さ、ノズルのサイズと形状は、最終オブジェクトの形状に最も大きな影響を与えます。たとえば、るつぼが空になるとノズルから吐出されるアルミニウムの量が徐々に減少するため、オブジェクトの直径が大きい部分が最初に印刷されます。ノズルの深さを変えると、金属構造の厚さが変わります。
LMP プロセスを支援するために、研究者は、特定の時間にプリントベッド上に堆積される材料の量を推定する数値モデルを開発しました。ノズルがガラスビーズ粉末を押し込むため、研究者は溶融アルミニウムが堆積する様子を観察できないとティブテス氏は述べた。そのため、印刷プロセスの特定の時点で何が起きているかをシミュレートする方法が必要だったという。
研究者らは、LMP を使用して、フライス加工やボーリングなどの機械加工プロセスに耐えられるほどの耐久性を備えた、さまざまな厚さのアルミニウムフレームを迅速に製造しました。彼らは、LMP とこれらの後処理技術を組み合わせて、低解像度で高速印刷されたアルミニウム部品と木片などの他のコンポーネントで構成された椅子とテーブルを作成する方法を実演しました。
今後、MIT チームは、ノズル内の一貫した加熱を実現して材料の固着を防ぎ、溶融材料の流れをより適切に制御できるように、マシンの改良を継続したいと考えています。ノズルの直径が大きいと印刷が不規則になる可能性があるため、克服すべき技術的な課題がまだ残っています。
「この機械を実際にリサイクルされたアルミニウムを溶かして部品を印刷できるものにできれば、金属製造業に革命をもたらすことになるでしょう」とティビッツ氏は言う。「現時点では、それを実行できるほど信頼性が高くありませんが、それが目標です。」
家具メーカー Emeco の事業開発部門の責任者である Jaye Buchbinder 氏は、次のように述べています。「Emeco では、液体金属印刷が詳細な形状や完全な構造部品を作成できる可能性を秘めていると考えています。これは非常に魅力的です。液体金属印刷は、他の印刷技術や成形技術では通常不可能な、迅速なターンアラウンドを維持しながら、カスタム形状の金属部品を生産する能力を備えています。この技術は、金属印刷と金属成形の現在のアプローチに革命を起こす可能性を間違いなく秘めています。」

MITの研究者らは、同様の金属付加プロセスよりも10倍高速な液体金属3Dプリント技術を開発しました。

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