金属積層造形における形状記憶合金の応用の進歩

出典: Additive Industries

今日の急速な技術発展の時代において、材料科学と製造技術の革新が多くの産業の進歩を推進しています。形状記憶合金 (SMA) は、ユニークな特性を持つスマート材料の一種として、金属積層造形 (AM) の分野で徐々に大きな可能性と応用価値を示しています。

形状記憶合金のユニークな特性
SMA は、変形後に元の形状を回復できるスマート材料です。そのユニークな能力は、オーステナイトとマルテンサイトという 2 つの固体相間の可逆的な相変態に由来しています。この相変化は、温度変化（形状記憶効果 - SME）または機械的応力（超弾性）によって引き起こされる可能性があります。例えば、温度が一定値まで上昇すると、マルテンサイト相の形状記憶合金はオーステナイト相に変態し、元の形状を復元します。また、外力によって変形した後、外力が除去されると、超弾性に基づいて元の形状に戻ることもできます。

一般的な形状記憶合金には、ニッケルチタン合金 (NiTi)、銅ベース合金 (Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al)、鉄ベース合金 (Fe-Mn-Si) などがあります。ニッケルチタン合金は、生体適合性、耐腐食性、超弾性に優れているため、バイオメディカルインプラントや航空宇宙アクチュエーターに広く使用されています。銅ベースの合金は、ニッケルチタン合金のコスト効率に優れた代替品であり、優れた形状記憶特性を備えており、厳格なコスト管理が必要な用途に適しています。鉄ベースの合金は、強度と耐疲労性が高く、構造用途で優れた性能を発揮することで知られています。

金属積層造形における SMA の利点 設計の柔軟性: AM テクノロジーは、従来の製造方法では実現が難しい複雑な形状を生成できます。 SMA の場合、選択的レーザー溶融 (SLM) や電子ビーム溶融 (EBM) などの付加製造技術により、微細構造を正確に制御し、材料特性を最適化できます。たとえば、複雑な内部構造を持つ航空宇宙部品を製造する場合、AM は実際のニーズに応じて形状記憶合金の微細構造を調整し、使用要件をより適切に満たすことができます。

カスタマイズとプロトタイピング: 航空宇宙や生物医学工学などの分野では、独自の特性を持つカスタムコンポーネントが必要になることがよくあります。 SMA を積層造形技術と組み合わせることで、迅速なプロトタイピングとカスタマイズされた生産を実現できます。たとえば、バイオメディカル分野では、AM を使用して患者の特定の状態に応じてパーソナライズされた形状記憶合金インプラントをカスタマイズし、治療結果を改善することができます。

材料効率: 指向性エネルギー堆積 (DED) などの付加製造プロセスでは、材料を層ごとに追加することで材料の無駄を最小限に抑えます。この利点は、ニッケルチタン合金などの高価な SMA 材料を使用する場合に特に顕著であり、生産コストを効果的に削減できます。

強化された機能: SMA の形状記憶効果と超弾性を利用して、アクチュエーション機能とダンピング機能を組み込んだ製品を製造できます。このため、ロボット工学や適応型航空宇宙構造などの用途に最適です。例えば、ロボット工学の分野では、SMA で作られたアクチュエーターは筋肉のような力を発揮し、より柔軟で正確な動きを可能にします。

実用分野

航空宇宙部品 アクチュエータと適応構造: SMA は、軽量で応答性の高い航空機アクチュエータの作成に使用できます。これらのアクチュエータは外部刺激に応じて形状を調整できるため、航空機の空力効率と燃費が向上します。たとえば、ニッケルチタン合金をベースにした形状記憶合金アクチュエータをモーフィング翼に適用すると、飛行中に翼の形状を変化させ、飛行性能を最適化することができます。

熱管理システム: SMA は、衛星の熱管理システムの温度に敏感なコンポーネントとして使用できます。形状を調整することで、衛星の放熱問題が効果的に管理され、さまざまな動作環境でも衛星が安定した性能を維持できるようになります。

折りたたみ式翼出典: NASA

バイオメディカルインプラント ブラケットと歯科矯正装置: ニチノールは生体適合性と超弾性に優れているため、自己拡張型ブラケットの製造に最適な素材です。このステントは圧縮された状態で人体に挿入され、その後体内で拡張して血管を支え、正常な機能を回復します。同様に、SMA ベースの矯正用ワイヤーは、長期間にわたって一定の力を加えることができるため、患者が頻繁に調整する必要が減り、矯正治療の利便性と効果が向上します。
骨固定装置: 3D プリント技術を使用して製造された SMA ネジとプレートは、複雑な骨構造にうまく適応できます。骨の形状に合わせて調整できるため、より効果的で個別の治療オプションが提供され、骨の治癒が促進されます。
出典: benewtec
ロボットアクチュエーター ソフトロボティクス: SMA はソフトロボティクスの分野に革命をもたらしました。 3Dプリント技術により、ニッケルチタン合金線をロボットグリッパーに加工し、取り扱う物体の形状や重量に応じてグリップ力や形状を自動的に調整し、より正確で柔軟な操作を実現します。
医療ロボット: 低侵襲手術ロボットでは、SMA コンポーネントが正確で制御された動作を実現します。これにより、外科手術の侵襲性が低下し、手術の精度と安全性が向上し、患者の外傷と回復時間が短縮されます。

自動車部品 温度応答要素: SMA ベースのアクチュエータは、自動車の空調制御システムに統合できます。車内の温度変化に応じて空気の流れを自動調整し、乗客に快適な運転環境を提供します。さらに、SMA スプリングは車両の安全システムにも使用できます。たとえば、車両が衝突された場合、展開式バンパーがすぐに作動して追加の保護を提供できます。

エネルギーおよび環境アプリケーション スマートグリッドとセンサー: スマートグリッドでは、SMA を使用して負荷を動的に管理し、エネルギー配分を最適化し、グリッドの運用効率と安定性を向上させることができます。同時に、環境の変化をリアルタイムで感知し、正確なデータを提供する応答性の高いセンサーの製造にも使用でき、エネルギー管理や環境保護の意思決定を強力にサポートします。

SMAが直面する課題 SMA は金属積層造形の分野で幅広い応用が期待されていますが、まだ対処すべき課題がいくつか残っています。

材料コストが高い: 形状記憶合金、特に NiTi 合金は比較的高価です。したがって、申請プロセス中のコスト管理は非常に重要です。積層造形プロセスにおける材料の無駄を最小限に抑え、生産コストを削減するには、効果的なプロセス最適化が必要です。

処理の複雑さ: SLM や EBM などの付加製造プロセスでは、熱サイクルによって望ましくない相変化が誘発され、材料に内部応力が生じ、材料特性が劣化する可能性があります。これらのプロセスパラメータを正確に制御することは、形状記憶合金の望ましい形状記憶特性と超弾性特性を維持するために重要です。

表面仕上げと後処理の要件: AM プロセスでは通常、製造された製品の表面が粗くなります。表面仕上げや生体適合性に対する要求が高いバイオメディカルなどの応用分野では、後処理が必要です。たとえば、電解研磨やレーザー仕上げなどの技術を使用して表面品質を向上させ、関連する基準を満たすことができます。
スケーラビリティの問題: 積層造形技術は試作や小規模生産には非常に適していますが、形状記憶合金の特殊な要件により、生産規模を拡大する際にはコストが高くなり、技術的な困難が生じる可能性があります。効果的な解決策を見つけ、大規模生産を実現するには、さらなる調査と研究が必要です。

課題に対処するための実用的な洞察 プロセスの最適化に重点を置く: 高度なシミュレーションツールを使用して、レーザー出力、スキャン速度、構築方向などの SMA AM パラメータを最適化します。これらのパラメータを正確に制御することで、製造プロセスにおける欠陥を減らし、材料特性を向上させることができます。

材料科学者とのコラボレーション: 材料科学者と緊密に協力して、特定のアプリケーションのニーズを満たすカスタム形状記憶合金組成を開発します。 AM テクノロジーによって合金の微細構造をカスタマイズすることで、合金の性能を大幅に向上させ、さまざまな分野のアプリケーション要件をより適切に満たすことができます。

後処理技術に重点を置く：熱処理や表面処理などの適切な後処理方法を、製品企画段階の早い段階で採用する必要があります。これらの後処理方法により、最終製品が必要な品質基準を満たしていることを保証し、製品の性能と信頼性を向上させることができます。

ハイブリッド製造アプローチの活用: AM と従来の減算方式を組み合わせることで、表面仕上げの品質やスケーラビリティの問題など、AM のいくつかの制限を効果的に克服できます。相互補完的な利点により生産効率と製品品質を向上します。

品質管理対策を実施する: 3D プリントされた SMA の微細構造特性と機械的特性を監視および管理するための厳格な品質管理プロトコルを開発します。製品品質の一貫性と信頼性を確保することで、製品の市場競争力を向上させます。

規制コンプライアンスを常に最新の状態に保つ: バイオメディカルや航空宇宙などの規制が厳しい分野では、関連する業界標準や規制を遵守することが不可欠です。規制当局と定期的にコミュニケーションを取り、変化する規制要件を満たすために生産プロセスをタイムリーに更新します。

出典: comsol
形状記憶合金は金属積層造形に革命をもたらし、幅広い業界で複雑で高性能な部品を製造する新たな可能性をもたらしました。 AM の実際の応用、利点、課題を深く理解することで、当社は継続的にイノベーションを推進し、生産プロセスを最適化し、急速に進化するこの分野における競争上の優位性を維持することができます。将来、技術の継続的な進歩と革新により、形状記憶合金は金属積層造形の分野でより重要な役割を果たし、さまざまな産業の発展にさらなる機会とブレークスルーをもたらすと信じています。

参考文献:
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.08.213

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