アルミニウム合金積層造形技術に関する記事

出典: 材料工学

アルミニウム合金は、密度が低く、比強度と剛性が高く、可塑性が高く、電気伝導性、熱伝導性、耐腐食性に優れているという特徴があり、軽量構造を実現するための好ましい材料であり、航空宇宙、輸送、船舶などの分野で幅広い応用展望と研究価値があります。アルミニウム合金の広範な応用は、アルミニウム合金製造技術の発展を促進しました。従来のアルミニウム合金加工技術は、主に製錬、鋳造、鍛造を使用しています。しかし、製品技術レベルの継続的な向上と開発サイクルの継続的な短縮により、複雑で精密な構造のアルミニウム合金部品の製造に新たな要件が提示されました。効率的で迅速な製造技術が求められるだけでなく、設備設計の変更に迅速に対応する能力、複雑で精密な部品の生産と製造への柔軟な適応性も求められています。上記の状況を踏まえ、3Dプリント技術を用いたアルミニウム合金構造部品の製造は、現在研究のホットな話題となっている。3Dプリントは積層造形とも呼ばれ、CAD設計データを使用して材料を層ごとに追加することで物理的な部品を製造する技術であり、航空宇宙、バイオメディカル、鉄道輸送など多くの業界で広く使用されている。積層造形は、単一部品または小ロットの迅速な製造を特徴としています。固体部品を層ごとに構築することで、設計の自由度と製造の柔軟性が向上し、複雑な製品形状のカスタマイズが可能になり、市場投入までの時間が短縮され、従来の規模の制限がなくなります。

国内外のアルミニウム合金積層造形技術の現在のプロセス方法は、動作原理と熱源の種類の違いにより、主にレーザー積層造形（LAM）、ワイヤーおよびアーク積層造形（WAAM）、電子ビーム積層造形（EBAM）、超音波積層造形（UAM）、摩擦攪拌接合積層造形（FSAM）などです。この記事では、これら5つの異なるプロセスの特徴を簡単に紹介します。

1 アルミニウム合金レーザー積層造形技術

レーザー積層造形技術はレーザーを熱源として利用し、成形精度が高く、内部欠陥が少なく、機械的特性が優れているという特徴があります。アルミニウム合金のレーザー積層造形法では、アルミニウム合金粉末が主に原料として使用されていますが、粉末ギャップに不確実性が生じ、成形部品の密度に影響を与えます。また、ほとんどのアルミニウム合金はレーザーに対する反射率が高く、レーザーの利用率が低くなっています。現在は鋳造アルミニウム合金または溶接性に優れたアルミニウム合金に限定されています。アルミニウム合金レーザー積層造形技術は、成形原理によって、主に金属粉末の同期供給を特徴とするレーザー金属直接成形（LMDF）技術と、粉末床敷設を技術的特徴とするレーザー選択溶融（SLM）技術に分けられます。

SLM製造アニメーションレーザー金属直接成形

2 アルミニウム合金アーク積層造形技術<br /> アーク積層造形技術は、同期ヒューズを使用して層ごとに積み重ねる積層造形技術です。溶接アークの特性により、主に超大型で複雑な部品の製造に使用されます。材料の利用率が高く、設備コストが低く、成形構造が大きいという特徴があります。ただし、入熱量が大きいため、成形部品の表面品質と成形精度が非常に悪く、その後の加工が必要になります。今後、アルミニウム合金アーク積層造形技術においては、いかにして入熱量を低減し、成形精度と品質を向上させるかが今後の研究の焦点となるでしょう。
アルミニウム合金アーク積層造形部品
3 アルミニウム合金の電子ビーム積層造形技術<br /> 電子ビーム積層造形技術は、充填材料の違いにより、主に電子ビーム選択溶融技術（Electron Beam Selective Melting、EBSM）と電子ビーム自由形状造形技術（Electron Beam Freeform Fabrication、EBFF）に分けられます。

EBSM技術は、電子ビームを熱源とし、真空環境下で金属粉末を成形材料として利用し、高速でスキャン・加熱し、層ごとに溶融・積層して金属部品を得る技術です。しかし、EBSM技術には、金属粉末材料の準備コストが高い、汚染されやすい、利用率が低い、洗浄作業が面倒、大型部品の製造が難しいなどの欠点があります。
電子ビーム選択溶融技術（EBFF）は、他の積層造形技術と同じで、高エネルギー電子ビームを使用して同期供給されたワイヤを溶融し、CADモデルの特定の処理パスに従って層状製造を実行し、高密度の金属部品が形成されるまで層ごとに積み重ねます。このプロセスは、成形速度が速く、保護効果が良好で、材料利用率が高く、エネルギー変換率が高いという特徴があります。

電子ビーム融合積層造形技術
4 アルミニウム合金超音波積層造形技術<br /> アルミニウム合金超音波積層造形技術は、高出力超音波エネルギーとアルミニウム合金層間の振動と摩擦によって発生する熱を利用して、界面間の金属原子の相互拡散を促進し、固体の物理的冶金結合を形成し、積層造形を実現します。この技術には次のような利点があります。

（１）固体成形、低温、材料内部の残留応力が低く、構造安定性が良好。

（２）製造工程では溶接スラグ、廃液、有害ガスなどの汚染物質を発生せず、原材料も入手しやすく安価である。

（３）高温環境を必要とせず、合金元素の揮発を起こさず、接続性能に影響を与えません。

（４）製造工程中にアルミ箔表面に形成された酸化膜は超音波によって破壊され除去される。

（５）傾斜機能材料の作製が可能となる。

超音波積層造形プロセスアルミニウム合金の超音波積層造形技術にはまだいくつかの欠点があります。現在の超音波出力の制限により、より薄いアルミ箔しか迅速に形成できません。将来的には、厚くて高強度の金属板の積層造形を実現するために、超音波トランスデューサーの出力を大幅に増加させる必要があります。

5. アルミニウム合金摩擦攪拌接合積層造形技術

摩擦撹拌接合積層造形技術は、摩擦撹拌接合をベースに開発された新しい積層造形方法です。アルミニウム合金摩擦撹拌接合積層造形法は、高速回転する撹拌ヘッドをアルミニウム合金板に挿入し、一定速度で所定の方向に移動させる。撹拌ヘッドとアルミニウム合金板の接触点で摩擦熱が発生し、アルミニウム合金板が可塑化して軟化します。可塑化された金属は、撹拌ヘッドの回転下で撹拌針の後ろの空洞を満たし、積層領域を形成し、次にその上に基板の層を重ね、上記の操作を同じ経路と積層間隔に沿って繰り返します。この技術で製造されたアルミニウム合金部品は、熱影響部の微細構造の変化が少なく、残留応力が低く、変形しにくく、酸化膜を除去する必要がなく、保護ガスを必要とせず、コストも低くなります。

攪拌摩擦溶接積層造形技術の模式図。現在、アルミニウム合金積層造形技術は軍事・民間分野において幅広い応用の見通しを持っています。アルミニウム合金の付加製造技術は、複雑な精密成形や軽量設計などの大きな利点があり、主な開発動向は次のとおりです。

（１）アルミニウム合金の積層造形のための新しい方法を開発し、アルミニウム合金の積層造形における「プロセス-構造-性能」間の本質的な関係をさらに探究する。アルミニウム合金積層造形部品の応力形成メカニズムを解明し、積層造形部品の残留応力レベルと分布を効果的に制御する方法を提案し、大型で複雑なアルミニウム合金積層造形部品の製造に指針を提供します。

（２）アルミニウム合金積層造形における微小溶融池物質移動、非平衡凝固・冷却過程の物理的冶金機構と相変態挙動を明らかにし、アルミニウム合金積層造形の微細構造制御を実現する。実験と数値シミュレーションを組み合わせることで、アルミニウム合金積層造形の温度場分布則を制御・予測し、積層熱プロセスを制御します。

（３）積層造形＋フライス加工（精密加工）の一体型設備をさらに開発し、アルミニウム合金積層造形部品の成形精度を向上させ、アルミニウム合金部品の精密加工を実現する。プロセスの最適化と設備のアップグレードにより、アルミニウム合金の積層造形部品の多孔性欠陥を完全に排除し、密度を高め、全体的な機械的特性を向上させることができます。

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