複雑な航空宇宙構造を実現できるセラミック3Dプリント技術の将来性は？

南極のクマの紹介:航空宇宙産業では革新的で効率的なソリューションが求められており、3D プリント技術は理想的な選択肢となっています。調査レポートによると、航空宇宙および防衛市場における3Dプリントの需要は増加しており、24%以上の成長が見込まれています。付加製造技術は、軽量で高強度の複雑な部品の製造、設計の自由度、原材料の無駄の削減、コストと資源効率の向上など、多くの利点をもたらします。これらの変化は航空宇宙分野の発展と進歩を促進するでしょう。

△ 3Dプリントセラミック部品の例
2023年5月15日、Antarctic Bearは、オーストリアのメーカーLithozがセラミック3Dプリント技術に注力しており、フォトリソグラフィーセラミック製造（LCM）技術を使用して、産業および航空宇宙用途の複雑な部品の高い要件を満たしていることを知りました。同社は2022年までにセラミック3Dプリントソリューションの収益を2倍にすると予想しており、医療や航空宇宙など複数の業界市場がこの技術に興味を示していることを示している。

△セラミック系材料は耐高温性に優れている
航空宇宙用途におけるセラミックスの使用の利点

調査レポート「3Dプリンティングセラミックス2022-2032：技術と市場の展望」によると、セラミック3Dプリンティング市場の価値は大幅に成長し、2023年までに4億米ドル（約27億人民元）に達すると予想されています。

航空宇宙、防衛、歯科、化学工学などの業界では、少量の部品の製造にセラミック 3D プリントに関心を示しています。セラミックは、耐熱性、耐酸化性、耐摩耗性、機械的安定性などの優れた特性により、航空宇宙産業で大きな注目を集めています。このため、セラミックは、特に高ストレス環境のコンポーネントにとって、極端な条件下での効率的な使用に理想的な材料となります。アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ジルコニウムなどの先進セラミック材料も大きな注目を集めています。 3Dプリント技術により、超高温セラミックスも製造可能になります。

航空宇宙産業では、セラミックが徐々に金属などの従来の材料に取って代わる可能性があります。金属は依然として一般的な材料ですが、特定の用途には制限があります。セラミックは摩耗率を低減する実行可能なソリューションを提供します。 3Dプリント製造技術と組み合わせることで、セラミックスはより高度な部品製造を実現できます。

△3Dプリント空力プラグエンジンノズル航空宇宙分野におけるLithozのLCM技術を例にとると、窒化シリコンを使用して3Dプリント空力プラグエンジンノズルが製造され、先進セラミックスの優れた性能の典型的な応用例が実証されました。これらのノズルは、大きな熱衝撃に耐えることができ、1200°C を超える高温でも安定した状態を維持できることを証明するあらゆるストレステストを受けています。

△LithozのCeraFabシリーズ3Dプリンター
LCMテクノロジーを使用した高解像度と複雑性

Lithoz の Lithographic Ceramic Manufacturing (LCM) テクノロジーは光重合の原理に基づいており、CeraFab 3D プリンターを通じてセラミックスラリーを透明な液体タンクに分配します。デジタルマイクロミラーデバイスと高度な投影システムを使用して、緑色の物体が層ごとに生成され、その後の熱処理と焼結により、高密度で耐久性のあるセラミック部品が生成されます。

この技術は露光精度が高く、ビルドプラットフォーム全体にわたって一貫性と精度を実現し、複雑な微細構造の製造を可能にします。 Lithoz は現在、25μm までの高解像度の精度を実現するように設計された CeraFab S65 など、それぞれ独自の利点を持つさまざまな CeraFab 3D 印刷ソリューションを提供しています。

Lithoz の技術は小ロット生産に適しているだけでなく、大規模生産にも使用できます。たとえば、Steinbach AG は外科用カテーテルの大量生産に Lithoz の CeraFab システムソリューションを使用しています。このパイプの複雑な設計には、試作から最終生産まで積層造形技術の使用が必要でした。 Steinbach は年間 12,000 個の部品を生産することができ、量産への拡張における 3D プリント技術の有効性を実証しています。

△左側がRFフィルター、右側が3Dプリントされたセラミック共振器です。共振器はさまざまなサイズで印刷できます
セラミック3Dプリントを使用して航空宇宙向けの最適化された構造を実現

セラミックの特性と 3D プリントの柔軟性を組み合わせると、航空宇宙用途において重要な利点が生まれます。セラミック 3D プリントにより、複雑な部品のニーズに合わせて、設計の正確なカスタマイズ、構造の変更、特定の機能の追加が可能になります。実用的な応用例の 1 つは、航空宇宙用の RF フィルターの作成です。これらのフィルターは、信号品質の向上と干渉の低減に不可欠です。セラミック 3D プリントでは、さまざまな形状、順序、帯域幅の高度に設計された共振器を作成し、それらを単一のコンポーネントに統合して、パフォーマンス、信頼性、耐久性を最適化できます。

セラミックは、高周波帯域での信頼性の高い通信に対する航空宇宙産業の要件を満たす理想的な特性を持つ材料です。高い性能と信頼性により、過酷な環境にも適しており、フィルターの小型化と軽量化を実現できます。さらに、セラミックフィルターは温度や時間に対して優れた安定性を示し、長期的な信頼性と一貫したパフォーマンスを保証します。これらの特性により、航空宇宙分野におけるセラミック 3D プリントの応用は非常に重要となり、3D プリントの専門職に新たな研究開発の機会をもたらします。

△ 緻密から多孔質構造のセラミック 3D プリントサンプルは、触媒、フィルター、骨インプラントなど、さまざまな分野で使用できます。
セラミック部品の微細構造を制御する方法

Lithoz 社は、同社のセラミック 3D 印刷ソリューションは、材料の微細構造と多孔性を正確に制御することで他の従来の製造技術の限界を超え、より複雑な用途で大きな利点を提供すると述べています。同社のLCM技術には、マルチマテリアル3Dプリントや機能的にグレード化されたセラミックスの機能も備わっています。デュアルシリンダーシステムにより、各層に異なる材料を使用できるため、非常に複雑なアルミナ部品と、単一部品内での高密度かつ多孔質の勾配を実現できます。この付加製造の応用により、セラミック部品の性能と複雑さが向上し、航空宇宙産業に新たな研究の可能性が開かれます。

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