概要: 金属液滴ジェット 3D 印刷技術

出典: 神航添加剤

1. 金属液滴ジェット3Dプリント技術の原理

金属液滴噴射技術は、インクジェット印刷の原理に基づいて 1990 年代初頭に提案され開発された 3D 印刷技術です。図1に示すように、均一な金属液滴を基本成形単位として、部品の形状特性に応じて点ごとに、層ごとに「蓄積」して3次元構造を実現する高速印刷技術です。スプレー材料の範囲が広く、制約のない自由成形の利点があり、小型で複雑な金属部品の製造、回路印刷と電子パッケージング、構造機能の統合製造において幅広い応用展望があります。金属材料は、融点が高く、酸化しやすく、粘性があり、表面張力が大きいという特性があるため、非金属材料のスプレー堆積との間には大きな隔たりがあります。

図1 金属マイクロ液滴堆積形成プロセスの概略図。均一な金属液滴生成の異なる原理と制御方法に応じて、金属液滴注入技術は、連続インクジェット（CIJ）（図2（a））とドロップオンデマンド（DOD）（図2（b））の2つのカテゴリに分類できます。連続均一金属液滴射出成形は、射出キャビティ内の流体がノズル穴を通過して連続圧力の作用下で毛細管ジェットを形成し、励振器の作用下で均一な液滴流に分解されるプロセスです。この技術は、レイリージェット線形不安定性理論に基づいて、1990 年代にマサチューセッツ工科大学とカリフォルニア大学アーバイン校によって初めて提案されました。図1(a)は典型的な連続液滴生成装置を示しており、るつぼ内の溶融物はまずガス圧の作用によりノズルから流れ出てジェットを形成します。

図2 均一な金属液滴生成と注入の概略図：（a）連続注入（CIJ）；（b）オンデマンド注入（DOD）
オンデマンド金属液滴射出成形では、必要に応じて励起装置を使用して圧力パルスを生成し、キャビティ内の溶融物の体積を変化させ、流体内の瞬間的な速度と圧力の変化を強制して単一の溶融液滴の形成を促進します。連続液滴射出技術は、射出頻度が高く、単一の溶融液滴の飛行および堆積挙動を制御するのが難しいという特徴がありますが、オンデマンド射出では、1 つのパルスが 1 つの溶融液滴のみに対応するため、正確で制御可能な射出という利点がありますが、射出速度は連続射出よりもはるかに遅くなります。

2. 金属液滴ジェット3Dプリント技術の現状

2.1 海外研究の現状

アメリカ機械学会は、噴射された液滴を帯電させ、電界で偏向させて、指定された場所に噴射する液滴噴射システムを開発しました。図 3 は、この装置の物理的画像です。

図3 アメリカ技術者協会電界偏向装置カリフォルニア大学のM.オーム教授は、連続金属液滴注入の実現に基づいて、振幅変調を使用して液滴のサイズを制御し、液滴間の距離を変更することで、鋳造品よりも性能（引張強度）が30％高い単純なアルミニウム合金パイプを製造しました。

図4 金属アルミニウム液滴の堆積によって得られた円柱状部品。連続金属液滴噴射技術については、現在の研究は主に実験段階にあり、まだ商業化されていません。 VaderSystemstuichu と呼ばれる印刷装置を発売したのはゼロックスだけです。 Vader Systems は、MagnetoHydroDynamics (MHD) と Liquid Metal Jet Printing (LMJP) を統合した独自のテクノロジー、Magnet-o-Jet を開発しました。電磁力を利用して溶融金属液を分散させる独自の技術です。粉末の代わりに金属線を原料として使用し、液体金属の液滴を磁気的に制御して印刷します。金属線をセラミックるつぼで加熱して溶かし、液体にします → 液体金属を電磁パルスで液滴に分散させます → セラミックノズルから噴射します。磁場によって金属液滴が正確な位置に移動し、そこで積み重ねられて形成されます。製造される部品は高精度で、等方性の材料特性を備えています。

2.2 国内研究の現状

中国の華中科技大学は、空気圧ダイヤフラムの原理に基づいたオンデマンド注射装置を開発した。この装置では、ガスが液滴の噴出を駆動しますが、液体室内の圧力変動はガス自体によって生成されるわけではありません。ガスダイヤフラムは装置内で振動発生器として機能し、チャンバー内のガスがダイヤフラム上で発生した振動を液面に伝達し、液滴を噴射します。この装置は、さまざまな材料のオンデマンド注入を実現します。実験では、引き抜かれたガラス針をノズルとして選択し、図5に示すように、ノズル径の約3倍の平均直径を持つ液滴が得られました。

図6 華中科技大学のバルブ制御注入装置西北工業大学は、空気圧液滴オンデマンド注入技術に関する一連の研究を実施し、ガス供給圧力や電子パルス幅などのシステム動作パラメータがるつぼ内の圧力変化に与える影響を研究しました。注入、ガス圧取得、動作制御、その他のサブコンポーネントを含む空気圧オンデマンド注入装置が開発され、装置全体が真空環境に置かれました。低融点の錫鉛合金から高融点の銅合金までの粒子の製造と単純な形状の堆積を実現します。図7(a)はスプレー堆積されたアルミニウム棒を示し、図7(b)は装置によって生成された金属銅粒子を示しています。

図7 (a) 金属マイクロチューブ (b) 金属マイクロ銅粒子ハルビン工業大学は、連続マイクロ液滴注入技術とオンデマンドマイクロ液滴注入技術の両方に関する研究を行ってきました。連続液滴噴射に関しては、乱れた金属ジェットが破壊されて均一な液滴が形成されるプロセスをシミュレーションによって研究し、乱れ信号パラメータとノズル径が液滴形成に与える影響を分析しました。連続原理に基づくジェット印刷装置セットが設計され、図 8 に示すように均一な金属液滴が得られました。

図8 連続ジェット印刷堆積システムハルビン工業大学は、圧電素子の振動原理に基づくオンデマンド液滴吐出システムを研究してきました。堆積材料としてスズ合金を選択し、実験結果を図9に示す。

図9 オンデマンド液滴注入
3. 金属液滴ジェット3Dプリントの主な材料

国内外の金属均一液滴技術の研究材料は、表1に示すように、主にスズ、亜鉛、アルミニウム、銅などの合金などの低融点金属です。

表1 金属液滴ジェット成形技術の主な材料

4. 金属液滴ジェット3Dプリント成形品質とプロセスパラメータ

マイクロ液滴堆積成形部品の印刷品質に影響を与える主な欠陥は、穴と亀裂の 2 つです。この 2 つの形態特性と形成原因は、金属マイクロ液滴堆積成形技術のプロセス特性と密接に関係しています。

（1）穴欠陥アルミニウム合金の微小液滴堆積成形部品の内部穴欠陥は、主に溶融不良により形成された隙間穴によって引き起こされます。このような穴欠陥の形態は不規則で、内壁は粗く、ほとんどが鋭い角を持ち、通常、液滴の同一層または上下層が重なり合う領域に現れます。スキャンステップ距離、スプレー温度、基板予熱温度などのプロセスパラメータが適切に選択されていない場合、多数の内部ギャップと穴が形成され、密度が低下します。

(a) スキャンステップサイズの影響スキャンステップサイズは、ワークピースの外観と内部品質に影響を与える重要な要因の 1 つです。図10と図11は、異なるスキャンステップでの液滴間の重なりの可能性を示しています。スキャンステップが大きすぎると、溶融液滴が効果的に重なり合って固体を形成できず、スキャンステップが小さすぎると、溶融液滴が過度に重なり膨らんでしまいます。異なるスキャンステップ長で形成された部品の内部を観察しました。オーバーラップ率が大きすぎたり小さすぎたりすると、内部に穴が開きます。

図 11 走査ステップ長が堆積形態に与える影響の模式図図 11 異なる走査ステップ長における堆積面の外観形態と内部微細構造 (a) 1000μm、(b) 850μm、(c) 750μm、(d) 700μm、(e) 620μm、(f) 600μm
(b) 射出温度と基板予熱温度の影響

噴霧温度は、アルミニウム合金のマイクロ液滴堆積形成プロセスにおいて最も重要なプロセスパラメータの 1 つであり、液滴が運ぶエネルギーと、その後の拡散および凝固挙動を直接決定します。成形工程では、溶融した液滴の衝突、変形、広がりにより、同一層または上下層の隣接するアルミニウム液滴が重なり合い、接触領域に重なり合う隙間が形成されます。溶融液滴の液相率が低い場合、重なり合った隙間を完全に埋めることが難しく、隙間穴が形成されることがよくあります。溶融液滴の液相率を決定する主なパラメータは、射出温度です。カリフォルニア大学の研究により、基板の温度は、溶融液滴が基板に到達した後の冷却速度と、完全に凝固した後の平衡温度に直接影響を与えることがわかりました。金属マイクロ液滴堆積プロセス中、基板温度が低いと、液滴はより短時間で完全に凝固し、液滴が広がって重なり合った隙間を埋めるのに利用できる時間も短くなります。同時に、液滴が完全に凝固した後の平衡温度はより低くなるため、堆積した液滴の次の層も凝固速度が速くなります。したがって、この条件下では、他のプロセスパラメータを適切に選択したとしても、堆積された物体の内部により多くの隙間と穴が残ります。基板を適切に予熱し、溶融液滴が広がるのに十分な時間を与えることで、隙間や穴の形成を効果的に抑制し、図 12 に示すように、形成された部品の密度を向上させることができます。

図12 異なるプロセス条件下でのアルミニウム合金マイクロ液滴堆積形成部品の断面（2）亀裂欠陥マイクロ液滴堆積形成部品の内部の亀裂欠陥は、図13aに示すように、主に溶融線亀裂と微細熱亀裂を含む。アークに沿って緩やかに伸びる亀裂をフュージョンラインクラックといいます。フュージョンラインが割れることで発生するクラックで、サイズが大きく、細長いマクロクラックにまで悪化することもあります。曲がりくねった細かい亀裂は熱亀裂です。図 13b は、腐食後の 13a のサンプルの局所的な拡大図です。細かい熱亀裂は不規則な形態をしており、粒界に沿って伸び、分岐していることが多いことがわかります。実験により、成形部品内部の亀裂欠陥の形成と拡大は、残留熱応力集中効果、液滴再溶融効果、結晶粒成長などの複数の要因の影響を受けることがわかりました。

(a) 熱応力集中効果の影響成形プロセス中、高温のアルミニウム液滴が周期的に堆積するため、堆積物は局所的な熱入力と小規模の凝縮挙動の影響を継続的に受けます。凝固プロセス中の冷たい基板の拘束効果と相まって、成形部品内には大量の熱応力が残ります。さらに、成形部品の内部によく見られる隙間穴は、通常、サイズが大きく、角が鋭く、互いに近接しており、そのような欠陥の周囲に応力集中が顕著です。上記の要因の複合的な影響により、アルミニウム合金のマイクロ液滴堆積成形部品の内部隙間や穴の周囲に大量の熱応力が蓄積され、この領域に亀裂欠陥が発生します。射出温度と基板予熱温度を適切に上げることで、効果的なギャップホール欠陥を減らすことができます。また、基板を予熱することで、サンプル内の温度勾配を効果的に下げ、成形部品の内部熱応力を軽減または除去することができます。したがって、射出温度と基板予熱温度を適切に調整することは、残留熱応力集中効果の影響を排除し、クラック欠陥を改善するための重要な対策です。

(b) 液滴の再溶融効果の影響堆積プロセス中、後に堆積した液滴によって運ばれた熱により、固化した液滴表面が部分的に再溶融し、それらの間の冶金結合が達成され、それによって形成された部品全体に一定の機械的強度が与えられます。液滴の再溶融の影響は、主に射出温度と基板の予熱温度によって決まります。2つのパラメータが適切に選択されていない場合、液滴表面の再溶融深さは小さく、接続を維持するために機械的なくさびにのみ依存することもあります。このとき、液滴の接合領域に明らかな溶融線が残り、凝固収縮や熱応力の作用により、溶融線亀裂欠陥に悪化する可能性があります。溶融線の存在が溶融線亀裂の形成と継続的な拡大の根本的な原因であることがわかります。射出温度や基板予熱温度などのパラメータを調整して溶融線を排除することで、溶融線の亀裂によって形成される亀裂欠陥を根本的に回避できます。

図13 アルミニウム合金マイクロ液滴堆積形成部の内部微細構造
4. 金属液滴ジェット3Dプリンティングの現状と展望

（１）各種応用分野向けのスプレー堆積装置の研究、特に各種高温金属材料を噴霧するためのスプレー装置の開発。均一な金属液滴の安定したスプレー堆積は、この技術が広く使用できるかどうかの鍵となる。異なる金属材料の物理的特性は大きく異なるため、安定した噴射を実現するためには、プロセスパラメータがさまざまな材料の噴射プロセスに与える影響を研究した上で適切な噴射装置を設計し、さまざまな金属材料の噴射に適した柔軟な 3D 印刷装置を開発する必要があります。

（２）異種材料、傾斜機能材料及びその製品の印刷・制御システムに関する研究液滴注入技術は、微量の物質を定点に精密に付着させる特徴があるため、異種材料、機能性材料およびその製品の成形において独自の利点を持っています。従来の均質材料射出成形システムとその制御ソフトウェアは、直接適用することが困難であるため、ユーザーのニーズに応じて設計された異種材料と部品の印刷と成形を実現するために、多材料射出堆積メカニズムとその制御スキームを研究し、マルチノズルリンク堆積システム、多材料材料/部品モデル処理ソフトウェア、および軌道計画アルゴリズムを開発する必要があります。

（３）構造機能一体型部品用ジェットデポジションプリンターの機構、プロセス、成形装置に関する研究構造性能と熱、電気、磁気などの特殊機能を統合した構造機能統合部品の成形を実現するためには、異種材料の印刷、組み合わせメカニズム、統合方法の研究に基づいて、液滴ジェット堆積機能と異種成分添加機能を備えたインテリジェントフレキシブル印刷装置とそれに対応するソフトウェアおよび制御システムを設計する必要があります。ハイテクの急速な発展に伴い、この技術がますます重要な役割を果たすことが予想されます。

（4）金属材料は融点が高く、粘度と表面張力が高く、また一部の金属は腐食性も高いため、これまで成熟した非金属材料の注入装置と制御方法は、金属材料の注入と印刷に直接使用することは困難であり、新しい高温耐腐食性注入装置の開発が必要である。

（５）金属液滴ジェット堆積プロセス中、金属液滴の拡散と凝固は、液滴の飛行速度、液滴温度、基板温度などの複数の要因の結合によって影響を受ける。成形部品の外部形態、内部品質、機械的特性を確保するためには、実験と理論の両面から、液滴の融合状態、内部微細構造の発展則などに対するさまざまなパラメータの影響を研究する必要がある。さらに、不純物のろ過や成形工程のモニタリングも解決すべき重要な技術です。

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