焼結に基づく間接3Dプリント - タングステン金属加工と柔軟な設計に新たな方向性をもたらす

出典: サブリメーション 3D

タングステンとタングステン合金は、典型的な高融点金属であり、成形が難しい材料です。高融点、高密度、高熱伝導率、中程度の熱膨張のため、高温用途の好ましい材料となっています。医療機器、国防・軍事産業、航空宇宙、電子情報、エネルギー、化学冶金、原子力産業など、多くの分野で広く使用されています。 2023年2月、金属およびセラミック間接3D印刷技術のメーカーであるSublimation 3Dは、タングステン合金3D印刷サービスを開始しました。次に、タングステンおよびタングステン合金3D印刷準備プロセスにおける粉末押出印刷技術（PEP）について詳しく説明します。

タングステン素材の利点は、加工の難しさという問題にもなります。タングステンの融点は3410℃と非常に高いため、従来の方法では製造が困難です。一般的に、タングステンおよびタングステン合金は、粉末冶金、押し出し、鍛造、圧延、スピニング、引き抜きなどの方法で材料に加工できますが、加工コストが高く、時間がかかり、製造できる部品の構造の複雑さにも限界があります。 3D 印刷技術は、タングステン金属の製造に新たなアイデアをもたらします。現在主流となっている SLM、BJ、FDM 押し出し、DLP などの直接溶解および焼結に基づく製造方法はすべて、タングステン製造の実現可能性を高めます。

焼結法による間接3Dプリント<br /> 粉末押出印刷技術（PEP）は、Sublimation 3Dが発表した「3D印刷+粉末冶金」を組み合わせた金属/セラミック間接3D印刷技術です。これは、粉末冶金技術と組み合わせた熱溶解積層法（FDM）に基づく 3D 印刷方法です。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、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。脱脂および焼結後処理プロセスを経て、最終的に高密度で高性能な構造部品が得られます。タングステンおよびタングステン合金を積層造形に応用するための効率的な生産ソリューションを提供することが期待されています。

印刷材料の開発
Sublimation 3D は、金属/セラミック粉末の物理的特性 (粒度分布、形態、比表面積など) と製品の性能要件に応じて適切な接着剤配合システム (水性、プラスチックベース、ワックスベースなど) を選択し、内部ミキサーでポリマーバインダーと金属/セラミック粉末を完全に混合し、最後に造粒機で制御可能な粒度の粒状材料を調製します。昇華型3Dプリンターに適した材料が次々と開発されています。例えば、316L/304/17-4PH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、チタンおよびチタン合金、高温合金、硬質合金、耐火金属およびその他の金属材料、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、炭化ケイ素およびその他の特殊セラミック材料、ハイドロキシアパタイトおよびその他のバイオセラミック材料など、さまざまな用途の要件を満たします。

UPGM-93WNIFEタングステン合金粒子は、Sublimationが独自に開発した金属ポリマー複合材料です。灰色でほぼ球形の粒子で、粒子サイズは8〜14メッシュです。航空宇宙、軍事防衛、原子力産業、工業製造、アクセサリーの分野でタングステン金属構造部品の開発と製造に使用できます。

3Dプリント

▲3Dプリント装置はPEP技術に基づいており、モデル設計→プロセス体験評価/ソフトウェアシミュレーション→プロトタイプ検証→グリーンボディプリントという標準化された生産プロセスに従います。粒状材料は昇華型 3D プリンターシステムによって加熱されて溶融ペーストとなり、その後、層ごとに押し出されて積み重ねられ、高精度で一定の密度と強度を持つグリーンボディが得られます。このシステムは、大型（最大造形体積：500×500×600mm）のタングステン金属構造部品を印刷することができ、熱風チャンバー恒温システムと真空吸着プラットフォームを備えており、反りを効果的に防止します。印刷後、緑色の胚は脱脂と焼結のプロセスを経る必要があります。

▲3Dプリントプロセスパラメータ▲UPGM-93WNIFEタングステン合金グリーンサンプル
脱脂工程<br /> 脱バインダーの目的は、3D プリントされたグリーンボディからバインダーポリマーの大部分を除去することです。脱脂プロセスには、水脱脂、溶剤脱脂、触媒脱脂が含まれます。脱脂工程は比較的簡単です。グリーンボディを適量の脱脂剤に一定時間浸します。バインダーポリマーが除去されたグリーンボディはブラウンボディと呼ばれ、焼結段階に送られ、緻密な金属/セラミック構造部品が得られます。 Sublimation 3D は現在、成熟した水性 93W-NiFe 印刷材料を保有しています。下図に示すように、脱脂工程では「処理水脱脂工程」を使用して接着剤Bを溶解して除去し、脱脂後に残った接着剤Aが茶色のブランクに一定の強度を与え、輸送を容易にします。残った接着剤Aは、その後の焼結工程で高温で除去されます。
▲脱脂工程の図解
焼結プロセス<br /> 得られた茶色のブランクは脱脂後に一定の空隙を持つため、強度と密度が低くなります。 PEP 技術ルートに基づいて、適切な焼結プロセスが検討され、顧客の粉末の物理的特性に応じて焼結プロセスパラメータを調整できます。焼結により、まず残留バインダーポリマーが適度な加熱温度で除去されます。温度が金属/セラミック粒子の融点を超えると、粒子は溶け始め、密度がほぼ高密度に達するまで増加します。焼結温度は、他のタイプの直接 3D 印刷プロセスで必要な完全溶融温度よりも低いため、熱をより均一に適用でき、製品のパフォーマンスの一貫性が保証されます。
▲焼結プロセス中、バインダーポリマーの除去と材料粒子の成長により、一定の収縮率が発生しますが、収縮率は一定であることに注意してください。焼結工程中の収縮を補うために、設計および成形工程が拡大されます。焼結タングステン合金部品は、従来のプロセスで作成された性能指標に達するか、それを上回ることができます。
▲UPGM-93WNIFEタングステン合金焼結サンプル
PEP 技術は、タングステン合金の難しい加工、複雑な構造の生産、軽量設計に新しいソリューションを提供します。PEP プロセスで準備されたタングステン合金部品は完全に直接使用でき、より迅速な生産と検証を実現できます。 Sublimation 3D はテクノロジーの可能性をさらに探求し、完全なプロセスルートを確立します。開始されたタングステン合金 3D 印刷サービスは、航空宇宙、航空、軍事、医療、原子力産業などの応用分野におけるタングステン金属の加工、製造、柔軟な設計の新たな方向性も切り開くでしょう。

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