3Dプリント材料が画期的な進歩を遂げ、Sublimation 3Dが新しい超硬合金積層造形プロセスを開発

出典: サブリメーション 3D

超硬合金は、通常、耐火金属炭化物（チタン、モリブデン、タングステン、タンタル、ニオブなどの炭化物）と結合金属（ニッケル、モリブデン、タングステン、コバルトなど）を含む複合材料です。超硬合金は優れた機械的特性、耐摩耗性、耐酸化性、熱安定性を備えています。切削工具、削岩工具、採掘工具、掘削工具、測定工具、摩耗部品、金属研削工具、シリンダーライナー、精密ベアリング、ノズルなどの製造に使用でき、「産業の歯」として知られています。

超硬合金の従来の製造方法と難しさ<br /> 超硬合金は通常、射出成形、押し出し成形、圧縮成形、ホットプレス、熱間静水圧プレス、放電プラズマ焼結などによって製造されますが、特に押し出し成形は幅広い応用見込みがあります。しかし、従来の超硬合金製造工程は完全に金型に依存しており、金型コストが高く、サイクルが長く、その後の加工コストが高く、超硬合金の製造コストに大きな影響を与えます。また、複雑な形状、多機能/可変機能複合構造、傾斜構造などを備えた超硬合金は従来の方法では製造できないため、超硬合金製品の構造設計空間、材料の利点、および応用分野の拡大が著しく制限されます。

▲従来の超硬構造部品（出典：インターネット）
超硬合金は、融点が高く、硬度も高いため、加工が非常に困難です。粉末冶金などの一般的な方法では、より単純な形状と構造の部品しか製造できません。高度な製造技術の急速な発展に伴い、従来の構造部品の製造プロセスでは実際のアプリケーションのニーズを満たすことができなくなり、複雑な構造を製造するためのより柔軟な方法を開発することが特に重要になっています。 3D 印刷技術の出現により、複雑な形状の構造部品を製造するための新しい方法が提供され、特に特殊形状、構造統合、マイクロチャネル、非常に複雑な形状、格子構造などの処理が可能になります。3D 印刷には、従来の製造技術にはない利点があります。

3Dプリント方法と超硬合金の特性
3Dプリンティング技術は、複雑な幾何学的形状を持つ部品の製造と準備を容易に実現でき、超硬合金の製造と応用における生産コストの削減が期待されています。現在、超硬合金の3Dプリントプロセス製造は、2つの技術ルートにまとめることができます。1つは、熱間成形技術に基づくPBF技術ルートです。PBF技術は、高エネルギーレーザーまたは電子ビームを熱源として使用し、粉末を選択的に焼結または溶融し、3次元の固体部品を層ごとに形成します。主に、選択的レーザー焼結（SLS）、選択的レーザー溶融（SLM）、選択的電子ビーム溶融（SEBM）などのプロセスが含まれます。もう 1 つは、超硬合金グリーン体の冷間印刷、脱脂、焼結プロセスに基づく FDS テクノロジルートです。このタイプのテクノロジは、3D 印刷 (冷間処理) と粉末冶金の脱脂および焼結プロセス (熱間処理) の利点を十分に発揮し、冷間印刷を使用してグリーン体を形成し、その後グリーン体を脱脂および焼結して 3 次元の固体部品を準備します。その中で、グリーンボディ冷間印刷プロセスの研究では、バインダージェット成形（BJAM）、熱溶解積層法（FDM）、3Dゲル印刷（3DGP）の3つのプロセスが開発されました。 https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103410

▲3Dプリントされた硬質合金サンプル（出典：Sublimation 3D）
PBF技術ルートは、理論密度に近く、機械的特性が良好な超硬合金部品をうまく製造できますが、多くの問題もあります。たとえば、SLSでは、総合的な性能を向上させるために元素浸透などの後処理が必要になることが多く、SLMでは亀裂や穴の欠陥が発生しやすいです。熱間成形技術の加熱と冷却の繰り返しプロセスにより、独特の微細構造が形成され、部品の性能に影響を与えます。また、性能を達成するには、熱間等方加圧や熱処理などの後処理方法が必要であり、追加の時間とコストが発生し、3Dプリント超硬合金の開発を妨げます。しかし、焼結技術に基づいて製造された超硬合金部品には、一般に明らかな亀裂や穴がなく、全体的な構造が均一に分散されており、機械的特性は優れていますが、表面粗さを改善する必要があります。

焼結法に基づくPEP法による超硬合金の製造
3D プリンティングは、超硬合金の用途を探求するための新しい製造方法を提供します。粉末押出印刷技術 (PEP) は、Sublimation 3D が開発した焼結プロセスに基づく金属/セラミック間接 3D 印刷技術です。 PEP は、粉末冶金プロセスと組み合わせた FDM 技術に基づく金属/セラミック 3D 印刷方法です。 3Dプリント用の特殊な内部ミキサーで金属/セラミック粉末をバインダーと混合して粒状材料を形成し、その後、3Dプリント装置で一定の密度と強度を持つグリーンボディを製造します。3Dプリント用の特殊な脱脂および焼結炉で後処理した後、最終的に高密度で高性能な構造部品が得られます。高性能な超硬合金の複雑な構造の製造に効果的なソリューションを提供します。

▲粉末押出印刷技術（PEP）プロセスフローチャート Sublimation 3Dは、PEPプロセス3D印刷装置に適した超硬合金材料を開発しました。粒子サイズが8～14メッシュの灰色でほぼ球形の金属セラミック複合材料で、高硬度、高強度、高耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性などの優れた特性を持っています。軍事産業、航空宇宙、機械加工、冶金、石油掘削、採掘ツール、原子力産業などの分野に応用できます。

▲超硬印刷材料
PEPプロセスは、超硬合金の幅広い応用に新たな可能性を開きます

PEP技術を採用したホットメルト押出システム印刷装置は、材料の一体型モールドレス成形を実現し、準備サイクルを効果的に短縮します。 PEPプロセスは、高価な高エネルギーレーザー設備を必要としないだけでなく、印刷と脱脂および焼結を分離するプロセスモードを採用し、従来の脱脂および焼結設備も利用できるため、投資コストを大幅に削減できます。また、低温成形と高温成形の特性により、超硬合金3Dプリントの準備プロセスで非常に発生しやすい変形、亀裂、穴などの問題を効果的に解決し、製品性能の一貫性を確保できます。さらに、PEPベースの3Dプリントシステムは独立したデュアルノズル設計を採用しており、多機能複合材料構造や傾斜材料構造製品の開発と製造を実現できます。 PEP プロセスで製造される超硬合金部品の密度、均一性、機械的特性は、従来の粉末冶金プロセスのものと同等か、それを超える可能性があり、超硬合金の幅広い応用に向けた新たな道が開かれると期待されています。

▲3Dプリント品質の炭化物焼結性能（出典：Sublimation 3D）
Sublimation 3Dは、金属/セラミック間接3Dプリント技術の推進と応用に注力しており、産業発展に適した3Dプリント技術と設備を継続的に開発するとともに、3Dプリント材料の開発の探求を止めたことはありません。現在、PEPプロセスに適したステンレス鋼、銅および銅合金、タングステンおよびタングステン合金、耐熱合金、超硬合金、高融点金属などの金属材料や、ジルコニア、アルミナ、炭化ケイ素、バイオセラミックスなどのセラミック材料が次々と開発されています。今後も、Sublime 3D は PEP 技術を活用し、粉末冶金プロセスと組み合わせて、より多くの応用材料の開発と製造を行い、3D プリントのより多くの分野での応用革新を実現し、3D プリントの活力を実証し、わが国の工業製造業の高品質な発展を促進していきます。

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