純銅の付加製造、粉末押出3D印刷プロセスの利点が顕著

銅は電気伝導性と熱伝導性に優れた金属で、鍛造性と延性にも優れています。また、耐腐食性があり、細菌やウイルスを殺すこともできます。銅は、電線、銅管、コールドプレート、ディスク、マニホールド、ラジエーター、熱交換器、バスバーなどの製造に使用でき、電気、機械製造、航空宇宙、国防、軍事産業などの分野で広く使用されています。現在、銅は世界で3番目に消費されている工業用金属です。

純銅製造の課題

銅の加工は私の国の非鉄金属産業の重要な部分です。長年にわたる急速な発展を経て、わが国は世界最大の銅の生産国および消費国となりました。銅部品は通常、金属射出成形 (MIM) と、鍛造、機械加工、押し出し、鋳造などの従来のプロセスを使用して製造されます。単純な幾何学的形状は製造できますが、複雑な構造部品の製造は困難であり、複雑な製造を実現するには溶接などの他のプロセスが必要になります。アプリケーション側での複雑な構造部品の需要が増加するにつれて、純銅部品を準備する従来のプロセスでは、急速に発展するアプリケーション市場のすべてのニーズを満たすことができなくなりました。複雑な部品の一体成形を実現できる積層造形（AM）技術の利点が徐々に明らかになり、銅部品の製造に大きな応用可能性を示しています。

▲伝統技術で加工された銅部品（出典：インターネット）
特に減算製造プロセスでは、純銅は延性があるため減算製造操作中に変形することが多く、扱いが難しいことで有名です。したがって、サブトラクティブ製造では、電気伝導率と熱伝導率が低い銅合金が必要になることがよくあります。積層造形において、純銅材料の応用は遅れて始まったものの、近年急速な発展傾向を示しており、特に国防や軍事産業の分野では、銅の積層造形への応用が継続的に重要な進歩を遂げており、銅材料の積層造形の発展をさらに促進しています。

純銅の積層造形におけるさまざまなプロセス

現在、金属積層造形の最も一般的なプロセスは、選択的レーザー溶融法 (SLM) と電子ビーム溶融法 (EBM) の技術であり、純銅材料の印刷も可能です。しかし、銅金属は反射率、伝導率、熱伝導率が高いため、SLMプロセスでは銅のレーザー溶融時の吸収率が低く、レーザーが銅金属粉末を連続的に溶融することが難しく、成形効率が低くなり、冶金品質の制御が難しくなります。また、銅は延性が高いため、余分な粉末を除去するなどの後処理が難しくなります。 EBM は電子ビームを熱源として使用するため、SLM レーザーの高い反射率の影響を受けず、若干の利点があります。しかし、銅は電気伝導性が高いため、EBM 印刷プロセスは非常に短くなります。また、銅は熱伝導性が高いため、印刷モデルの寸法精度と機械的特性の制御性が低く、印刷された銅部品の表面品質が悪く、銅誘導コイルなどのアプリケーションの後処理に不便をもたらします。

▲純銅のグリーンSLM印刷（出典：3D Science Valley「銅金属3D印刷ホワイトペーパー」）
しかし、純銅レーザー積層造形における課題は徐々に克服されつつあります。例えば、グリーンレーザー選択的レーザー溶融システム（グリーンSLM）を使用して製造された純銅部品の機械的特性と電気伝導性は大幅に改善され、反射率の低減により処理がより安定して効率的になります。さらに、材料押し出し、光重合、バインダージェッティングを使用した銅の 3D 印刷プロセスも商品化されています。その中で、焼結ベースの粉末押出印刷（PEP）技術は、純銅印刷プロセスにおける高熱伝導性と高反射の問題を巧みに回避します。最初にグリーンボディを印刷し、その後、成熟した粉末冶金の脱脂と焼結のプロセスを経ることで、優れた構造を持つ高性能の純銅部品が得られます。次世代の熱伝導・電気伝導部品の製造に、より多様なソリューションをもたらすことが期待されます。

銅製造におけるPEP技術の利点

PEP技術は、Sublime 3Dが発表した「3Dプリント+粉末冶金」を組み合わせた金属/セラミック間接3Dプリントプロセスです。3Dプリント技術の複雑な構造、一体化、軽量などの技術的特徴を活用し、加工可能な材料の範囲が広く、加工コストが低いなど、粉末冶金の技術的利点を十分に発揮し、従来の製造業のデジタル化を促進します。

PEP 技術に基づく純銅の 3D 印刷では、高エネルギーのレーザービームは不要で、純銅印刷プロセスにおける高熱伝導率と高反射率の問題を巧みに回避します。純銅部品は、まずグリーンボディを印刷し、その後脱脂と焼結を行うことで得られます。熱処理プロセスを焼結ステップに移行するため、熱応力の管理が容易になります。また、焼結温度は他のタイプの直接 3D 印刷プロセスで必要な完全溶融温度よりも低いため、熱をより均一に適用でき、一貫した製品パフォーマンスが保証されます。

▲昇華3D印刷された純銅熱交換器。印刷プロセスでは、高密度または高伝導性と熱伝導性の純銅部品を得るために、純銅印刷材料の配合と脱脂および焼結プロセスの要件も非常に高くなります。昇華3D純銅粒状材料UPGM-CUは、純銅3D印刷に非常に適しています。原材料の高純度を維持しながら、緻密化がより容易であるという特徴もあり、さまざまな純銅部品の印刷ニーズを満たすことができます。 Sublimation 3Dが独自に開発した3Dプリント設備は、純銅およびその合金材料を加工して高密度部品を製造することができ、熱交換器、ラジエーター、インダクターなどの製品開発に広く使用されています。

▲昇華型3D純銅印刷製品の性能データ
PEP技術は成形工程が簡単で、レーザー装置を必要とせず、低温成形と高温成形の特徴を備えています。レーザー帯域における銅などの高反射金属の吸収率が低い問題を解決し、微細で複雑な幾何学的構造と高性能を兼ね備えた純銅の製造・加工の問題を解決します。印刷材料の準備は簡単で、元の粉末の球形度や流動性に対する厳しい要件はありません。粉末冶金プロセスで使用される粉末材料に適しており、印刷材料はリサイクル可能です。加工が難しい純銅材料を効率的に製造・加工する方法を提供します。

銅加工・製造を強化し、立体的な強さを昇華

近年、複雑かつ絶えず変化する国内外のマクロ経済情勢と発展環境に直面して、わが国の銅加工産業は積極的に方式の転換、構造の調整、変革を推進し、業界の持続的かつ急速な発展を維持してきました。現在、わが国の銅産業の処理能力は向上し続け、応用分野は拡大し続け、現地化レベルは向上し続けており、業界全体が力強い発展の好調な傾向を示しています。純銅の付加製造により、製造サイクルとコストを大幅に削減できます。第二に、より複雑な部品を製造できるようになり、製品の精度が向上するだけでなく、カスタマイズされた生産も可能になります。これらの利点により、純銅の付加製造はあらゆる分野で幅広い応用の見通しを持っています。

▲Sublimation 3Dが製造した純銅構造部品。中国の金属/セラミック間接3D印刷のリーダーとして、Sublimation 3Dは3D印刷設備と印刷材料において完全に独立した知的財産権を有しています。印刷設備とコア部品、成形材料、プロセス、ソフトウェアにおける金属/セラミック間接3D印刷技術の重要なコア技術を習得し、完全な積層製造プロセスチェーンを構築しています。 Sublimation 3D は、材料の配合、機器の性能、印刷および焼結プロセスも継続的に改善しており、純銅の付加製造能力はさらに強化される予定です。わが国の銅加工製造業界の継続的な向上とアプリケーション市場の高い要求により、Sublimation は技術とプロセスの優位性を活かして銅業界の加工製造を可能にし、優れた 3D プリント総合ソリューションとサービスを提供します。我が国の銅加工産業のデジタル変革と発展に適切な貢献をします。

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