昇華3D: 粉末押出3Dプリンティングが反応焼結シリコンカーバイドの用途の成長を促進

炭化ケイ素セラミックスは、高強度、高硬度、安定した化学的性質、高熱伝導性、小さい熱膨張係数、優れた耐摩耗性などの特性を備えています。炭化ケイ素は特殊セラミックスの中でも構造用セラミックスの一種で、様々な先端製造分野で幅広く利用されています。

▲炭化ケイ素セラミックスの応用分野
反応焼結シリコンカーバイド製造は比較にならないほど劣る<br /> 反応結合型シリコンカーバイド（RBSC）は、原料形成体（シリコンカーバイド粉末、グラファイト、カーボンブラック、バインダー、各種添加剤）を1720度の高温で固相、液相、気相の間で化学反応させ、同時に特定の成分の緻密化と合成を行い、同サイズの焼結体を得るプロセスです。反応焼結シリコンカーバイドは、高温強度が高く、耐酸化性が強く、酸やアルカリに対する耐腐食性が強く、熱安定性に優れ、熱伝導率が高く、硬度はダイヤモンドに次ぐ、耐摩耗性も高いという特徴があります。現在では、炭化ケイ素火炎噴射ノズルバーナースリーブ、ビームローラー、冷気ダクト、輻射管、炭化ケイ素耐摩耗ライニングなど、さまざまな耐高温性、耐摩耗性、耐腐食性製品に加工されています。電気、鉄鋼、窯業、高温窯、鉱業、石炭、石油、化学工業、機械製造など、さまざまな業界で広く使用されており、社会のあらゆる分野で広く認められています。

▲反応焼結シリコンカーバイド製品（出典：インターネット）
しかし、国のハイテク産業の急速な発展と需要の増加に伴い、シリコンカーバイドの市場見通しはますます広くなり、対応するアプリケーション要件はますます厳しくなっています。特に、複雑なシリコンカーバイド製品の製造においては、航空宇宙、軍事産業、新エネルギー、半導体などの最先端技術分野の発展にとって重要な戦略的意義を持っています。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。高級な最先端素材の応用と人気は比較にならないほど低く、ハイテク分野での発展が著しく制限されています。

3Dプリンティングは新たなブレークスルーとなることが期待されている
シリコンカーバイド製品の成形体の製造には、熱間静水圧プレス、押し出し成形、射出成形が広く使用されています。従来の成形技術と比較すると、3D プリント技術はインテリジェント、金型不要、精密、高度に複雑な製造能力を備えており、従来のプロセスでは不可能な製造を完了できます。しかし、融点が決まっているプラスチックや金属に比べ、加熱して溶かしてから貼り付けることができます。しかし、炭化物セラミックには融点がありません。例えば、炭化ケイ素は高温で二酸化ケイ素に酸化したり、他のガスやレーザーの作用で直接分解したりするため、直接 3D プリントすることは不可能です。ブランクをプリントしてから焼結する必要があります。炭化ケイ素の原料成形プロセスから始まり、反応焼結プロセスの特性と組み合わせることで、焼成炭化ケイ素セラミックブランクはニアネットシェイプを実現し、後続の加工量を減らし、製品の性能が使用要件を満たすことを保証します。これは、複雑な構造の炭化ケイ素セラミックスの製造プロセスの主な研究方向になります。

▲3Dプリントされたシリコンカーバイドサンプル（サンプル提供元：Sublimation 3D）
現在、SiC セラミックの 3D 印刷方法のほとんどでは、印刷された材料の固形分含有量が低く、シリコン含有量が高く、機械的特性が低くなっています。例えば、直接インク書き込み（DIW）インクの固形分が低すぎるため、セラミック体の密度が低くなります。また、焼結プロセス中にレーザー印刷によって生成される熱応力により亀裂を避けることが難しく、最終製品の機械的特性が低下します。さらに、バインダージェッティング（BJP）では粉末充填密度が制限されるため、SiCの体積分率が制限されます。ステレオリソグラフィー（SLA）では、強度、精度、構造の均一性、複雑さに優れたセラミック体を製造できますが、シリコンカーバイドの光吸収特性により、シリコンカーバイド部品の製造には依然として多くの技術的なボトルネックがあります。そのため、炭化ケイ素セラミックスの加工効率の向上と製造コストの低減が緊急の課題となっている。

PEPは反応焼結シリコンカーバイドの用途の成長を牽引します
Sublimation 3Dは、粉末押出（PEP）に基づく産業用の独立したデュアルノズル3Dプリンターを独自に開発しました。粒状の炭化ケイ素ベースの複合材料を使用して、一定の構造密度を持つ複雑な構造のグリーンボディを印刷し、反応焼結プロセスと組み合わせて、サイズが近く、軽量で統合された炭化ケイ素セラミック製品の製造を実現します。我が国の航空宇宙、原子力産業、電力化学産業、太陽光発電半導体などのハイエンド製造分野への参入に成功しており、中国の製造業の革新、転換、アップグレードを促進する新たなツールになることが期待されており、高い応用価値を持っています。

太陽光発電、電子工学、半導体産業の台頭に伴い、科学技術の発展とともにチップの需要が飛躍的に増加しています。ウェーハ製造工程で一般的に使用される石英ウェーハキャリアは、製造工程と石英材料の特性により、耐用年数が3〜6か月です。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年以上であり、メンテナンスや修理による停止による使用コストと生産能力の損失を大幅に削減できます。半導体分野の顧客は、PEP技術と反応焼結プロセスを組み合わせてシリコンカーバイドウェーハキャリアを製造し、ウェーハキャリアの柔軟な構造設計をサポートしています。3Dプリントの統合準備により、生産サイクルと生産コストが効果的に削減されます。製造されたシリコンカーバイドウェーハキャリアは、高純度、高高温強度、耐熱衝撃性、耐腐食性、耐摩耗性などの利点があり、下流の顧客の生産において、優れた安定性、長寿命、低いメンテナンスコストなどの利点があります。

▲3Dプリントされたシリコンカーバイドウエハーキャリア（出典：Sublimation 3D）
宇宙探査の分野では、上海珪酸塩研究所が昇華型三次元大型独立型デュアルノズルプリンターUPS-556システムを用いた反応焼結と組み合わせた粒子溶融堆積法によるSiCセラミックス製造の新手法により、炭化ケイ素セラミック光学素子などの高付加価値部品の製造に成功し、広く注目を集めています。粒子融合印刷法は、微小重力条件下での粉末印刷の潜在的な危険性を回避し、将来の宇宙 3D 印刷の可能性を提供します。今回の一体型、大型、軽量のシリコンカーバイド反射鏡の開発成功は、国家のリモートセンシング衛星の発展と宇宙インフラ建設を強力にサポートし、我が国のリモートセンシング検出技術における中核競争力を強化することができます。

▲シリコンカーバイド光学部品（出典：上海珪酸塩研究所）
シリコンカーバイドの応用分野が継続的に拡大するにつれて、反応焼結シリコンカーバイドの電子工学、光電子工学、航空宇宙、冶金などの分野への応用も年々増加しており、この応用市場の成長を直接促進することになります。シリコンカーバイドセラミック製造技術の急速な発展により、その性能は継続的に向上し、シリコンカーバイド市場の発展をさらに促進するでしょう。 3Dプリント技術は、ハイエンド機器製造分野における重要な技術手段として、伝統的な製造プロセスが抱える課題の解決に常に取り組んでおり、特殊セラミックスの無金型成形、製品設計サイクルの短縮、セラミックの微細構造の実現に極めて重要な役割を果たしています。反応焼結シリコンカーバイドプロセスは、処理温度が低く、処理時間が短く、特殊で高価な設備が不要で、反応焼結ブランクの収縮がなく、サイズがほとんど変わらず、焼結プロセス中に加圧する必要がなく、大型で複雑な形状の製品を製造できるという特徴があります。 PEP 技術と無加圧焼結プロセスを組み合わせることで、シリコンカーバイド 3D プリンティングが非常に魅力的な成長分野になると期待されています。

革新的なインテリジェント製造に取り組んでおり、特殊セラミックス/金属製造に関する徹底した研究を行っています。国内の金属・セラミック間接3Dプリント技術のリーダーとして、Sublimation 3Dは材料、設備、プロセスを統合したエコロジカルな運用システムを構築しています。同社のPEP技術は成形プロセスが簡単で、伝統的な粉末冶金の成熟した安定したプロセスと直接組み合わせることができ、投資コストとメンテナンスコストが比較的低く、粒状材料の押し出し印刷を使用することで材料の無駄を大幅に削減でき、生産プロセスはより環境に優しいものになります。 Sublimation 3D は、その夢をずっと追い求め、間接 3D 印刷技術の推進と応用に尽力してきました。現在、当社はPEP技術と粉末冶金プロセスの深い統合を活用して、さまざまな応用分野でシリコンカーバイドセラミックなどのセラミック/金属材料の革新的な製造を継続的に実現し、航空宇宙、軍事および国防、電子情報、工業製造などの複雑な構造、軽量、高性能のニーズを満たす高品質のサービスソリューションを提供しています。

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