コールドスプレー積層造形における新たなブレークスルー：CADからほぼ成型された試料までの複雑な構造の製造を実現

ガスダイナミックコールドスプレー（コールドスプレーとも呼ばれる）は、固体表面処理および材料堆積のためのプロセス技術であり、熱スプレーファミリーに属します。このプロセスでは、固体粉末粒子が高温高圧の圧縮ガス（空気、窒素、ヘリウムなど）によって非常に高速（通常 400 m/s 以上）に加速されます。短い飛行の後、粒子は噴霧する基材の表面に到達し、強力な塑性変形によって基材の表面に付着してコーティングを形成します。コールドスプレーは、従来の金属、合金、非金属など、幅広い材料の堆積に適用できます。製造されたコーティングは高密度、高硬度という特性を持つため、コールドスプレー法はさまざまな業界でさまざまな機能性コーティングの製造に広く使用されています。同時に、このプロセス中、材料は溶融または凝固せず、初期の物理的および化学的特性が保持されます。また、材料の堆積効率が高く、局所的な制御性があり、コールドスプレーは局所的な修復技術としても見なされています。

現在、金属積層造形の主なプロセスは、選択的レーザー溶融法（SLM）、電子ビーム溶融法（EBM）、アーク積層造形法（AAM）です。市販のソフトウェアを使用して、物体をスライスし、軌道を計画し、パラメータを調整することで、金属部品の積層造形を実現できます。コールドスプレー法は、10 年以上にわたって積層造形に提案されており、大きな可能性を秘めた技術であることが証明されています。他の積層造形技術と比較して、コールドスプレーは堆積効率（最大約 99%）と堆積速度（最大 500g/分）が高く、多成分材料や傾斜材料の堆積も実現でき、ほぼ無制限のサイズのワークピースを製造できます。しかし、コールドスプレー自体の制限により、「スプレーポイント」/ノズル出口の直径サイズは通常5〜10 mmであり、空間分解能が制限されており、現在のところ、精度の低いワークピースの製造にのみ適しています。

例えば、スプレー工程中に粉末供給を中断することはできず、スプレーパラメータをリアルタイムで調整することもできないため、コールドスプレー積層造形は現在、回転対称などの単純な幾何学的形状を持つワークピースの製造に主に使用されています。さらに、複雑な形状のワークピースの製造には、ロボットアームに適した堆積戦略と経路計画が不足しているため、通常、スプレー経路を手動でハードプログラミングするか、特別なサポート構造を設計することによって製造が行われます。これらすべての問題点により、コールドスプレー添加剤技術の適用は大きく制限されます。このため、コールドスプレー積層造形の概念は長年提案されてきましたが、特に複雑な構造と複数の幾何学的特徴を持つ非対称ワークピースの製造において、その広範な応用に関する報告はほとんどありません。

△図1：マルチフィーチャ3Dモデルのコールドスプレー積層造形プロセスフランス、ベルフォール・モンベリアール工科大学傘下のフランス科学アカデミーCNRS研究所ICB-LERMPSは、長年にわたりコールドスプレー積層造形に関する徹底的な研究を実施し、複数の幾何学的特徴を持つワークピースのコールドスプレー積層造形のための戦略的な方法を提案してきました。この研究により、コールドスプレープロセスを使用して比較的複雑なワークピースを層ごとに製造することが可能になり、準備時間が大幅に短縮され、生産コストが削減されます。本研究では、まず、製造するワークピースの3Dモデルを一定の厚さに応じて高さ方向にスライスして層状にし（図1a）、次に各層の各フィーチャの外側の輪郭を生成する（図1b）効率的なスライスアルゴリズムを提案しました。

コールドスプレープロセスの「ワンストローク」特性（スプレープロセス中に粉末供給を中断できない）とスプレー経路が堆積領域を直接通過できないという事実により、この研究では、コールドスプレープロセスに適した積層造形ロボット経路を自動的に計画および生成できます。生成されたパスに基づいて、ロボットのオフラインプログラミングソフトウェアを使用して堆積パスをシミュレートし、軌道計画方法の実現可能性と精度を検証しました。検証された戦略方法は、実際のスプレー装置によって実装され、ほぼ成形された試験片が製造され（図 1c）、最終的に機械加工によって多機能の複雑なワークピースのコールドスプレー積層造形が実現されました（図 1d）。

△ 図2：コールドスプレー積層造形による手のひら型ワークピースの製造。最近の実験では、この研究手法を用いて、実際の人間の手のひらに近いサイズの純銅モデルの製造に成功しました。コールドスプレー法の高い堆積効率のおかげで、この2.3kgの純銅モデル（高さ145cm、幅95cm）の製造には70分かかりました。ロボットのスプレー経路を図 2a に示し、最終的なほぼ成型された銅製のハンドモデルを図 2b に示します。

要約すると、コールドスプレー添加剤プロセスはまだ初期段階ですが、金属添加剤製造の分野では非常に有望です。複雑な形状のワークピースの製造は困難であるため、本研究では一般的なコールドスプレー堆積戦略とスプレー経路の計画方法が開発されています。コールドスプレープロセスに基づいて比較的複雑なワークピースを製造することが可能になり、堆積物の機械加工後処理が大幅に削減されるため、大型のほぼ成形されたワークピースの製造にかかる総コストが大幅に削減されます。

協力連絡先: 鄧思浩博士
メールアドレス: [email protected]、
微信: 201131

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