レーザーを使って鋼鉄を「加熱して叩く」ことで3Dプリントのコストを削減できる可能性がある

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-11-2 07:22 に最後に編集されました

はじめに:研究者らは、コストを削減し、資源をより効率的に使用するのに役立つ可能性のある金属の 3D プリントの新しい方法を開発しました。

2023年11月2日、アンタークティックベアは、ケンブリッジ大学が率いる研究チームによって開発されたこの方法により、3Dプリントのプロセス中に金属合金に構造変更を「プログラム」して、何千年も使用されてきた「加熱とハンマー打ち」のプロセスを必要とせずに特性を微調整できることを知りました。

研究チームが開発した新しい方法は、3D プリントで実現される複雑な形状と、従来の方法で可能になる金属構造と特性を設計する能力という、2 つの世界の最高の特性を融合したものです。研究者たちは、材料がどのように溶けて固まるか、またどれだけの熱が発生するかを制御することで、結果として得られる材料の特性をプログラムすることができます。通常、金属は構造用途で安全に使用できるように、強度と耐久性を備えて設計されています。 3D プリントされた金属は本質的に強度に優れていますが、脆いという欠点もあります。

△この研究成果は、「プログラム可能な微細構造と特性を持つ合金の付加製造」というタイトルでNature Communications誌に掲載されました（ポータル）
プログラム可能な金属加工プロセスで発生する問題

3D プリンティングは他の製造方法に比べていくつかの利点があります。たとえば、3D プリントでは、従来の金属製造方法に比べて必要な材料の量を減らしながら複雑な形状をより簡単に製造できるため、生産効率が向上します。しかし、明らかな欠点もあります。

この研究を率いたケンブリッジ大学工学部のマッテオ・セイタ博士は、「3Dプリントは幅広い用途があるが、特に産業分野では高価だ。主なコスト要因の1つは、製造後に必要となる材料調整だ」と語った。

△設計された微細構造による機械的特性のカスタマイズ青銅器時代以来、金属部品の製造は加熱と鍛造という伝統的な方法に基づいてきました。この方法では、材料をハンマーで叩いて硬化させ、その後加熱して柔らかくすることで、製造業者が金属を希望の形状に成形し、柔軟性や強度などの物理的特性を与えることができます。

「加熱とハンマー打ちは、材料の内部構造を変化させ、その特性を制御できるため非常に効果的であり、それが何千年も経った今でも使用されている理由です」と清田氏は語った。

現在、3D プリント技術の主な欠点の 1 つは、内部構造を同じように制御できないことです。そのため、製造後に多くの変更が必要になります。「私たちは、加熱やハンマーに頼らずに構造工学の能力の一部を回復する方法を模索しており、それがコスト削減につながります」とセイタ氏は言う。「金属の望ましい特性を制御できれば、3Dプリントの環境的利点をより有効に活用できます。」

△レーザー粉末床溶融結合（LPBF）によるステンレス鋼316L（SS316L）のプログラム可能な熱安定性
編集可能な金属加工の未来

セイタ氏はシンガポール、スイス、フィンランド、オーストラリアの同僚と協力し、レーザー溶融プロセス中に材料の内部構造を高度に制御できる金属3Dプリントの新しい「レシピ」を開発しました。

研究者らが開発した戦略は、3D プリントされた金属部品を比較的低温の炉に入れて強度と靭性を完全に制御することにより、微細構造の制御された再構築を引き起こします。彼らの方法は、従来のレーザーベースの 3D 印刷技術を使用しますが、プロセスに若干の調整を加えています。

「レーザーは3Dプリントの過程で金属を硬化させる『マイクロハンマー』のような働きをすることが分かりました」とセイタ氏は言う。「しかし、同じレーザーで金属を2度目に溶かすと、金属の構造が緩み、部品を炉に入れたときに構造が再構成されるのです。」

理論的に設計され、実験的に検証された 3D プリント鋼は、強くて丈夫な材料の領域が交互に配置されており、加熱とハンマーで作られた鋼に匹敵する特性を備えています。

セイタ氏はまた、「この方法により金属 3D プリントのコストが削減され、金属製造の持続可能性が高まると考えています。将来的には、炉内での極低温処理を省略し、エンジニアリング用途向けの 3D プリント部品を準備するために必要な手順の数をさらに減らすことも期待しています」と述べています。

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