PNLL は、金属スクラップを 3D プリント用の高価値合金にアップサイクルする固相合金化プロセスを開発しました。

2025 年 1 月 1 日、アンタークティックベアは、米国エネルギー省のパシフィックノースウェスト国立研究所 (PNLL) の研究者が、従来の溶解プロセスを必要とせずに、金属廃棄物をさまざまな製造形態 (WAAM を含む) に適した高性能で高価値の合金に直接変換できる「固相合金化」プロセスの開発を発表したことを知りました。

この研究の結果は最近、「固相合金化によるスクラップからのアップサイクル高強度アルミニウム合金」というタイトルで、Nature Communications 誌に掲載されました。

関連論文リンク: https://www.nature.com/articles/s41467-024-53062-2
研究によれば、産業廃棄物からのアルミニウムスクラップは高性能金属合金の製造に使用できることが分かっています。リサイクルされたアルミニウムの特性は、未使用のアルミニウムから製造された同じ材料と同等であり、このアプローチにより、より高品質のリサイクル金属製品を低コストで市場に投入できる可能性があることを示唆しています。この新しい方法は、廃棄物を高性能のアルミニウム製品に変換することで、材料の性能を向上させるだけでなく、環境の持続可能性も促進します。
「私たちの研究の革新性は、アルミニウムスクラップ混合物に正確な量の金属元素を前駆物質として加えることで、それを低コストの廃棄物から高コストの製品に変えることができることです」と、PNNLの材料科学者でこの研究の主執筆者であるシャオ氏は語った。「これを1つのステップで実行でき、すべての合金が5分以内に準備できます。」

革新的な固相合金化プロセスにより、銅、亜鉛、マグネシウムを混ぜたアルミニウムスクラップを、従来の溶解、鋳造、押し出し法で同じ製品を製造するのに数日かかるのに対し、わずか数分で精密に設計された高強度アルミニウム合金製品に変えることができます。研究チームは、PNNL の特許技術「Shear Assisted Processing and Extrude (ShAPE)」を使用して研究成果を達成しました。しかし研究者らは、この研究結果は他の固相製造プロセスでも再現できるはずだと指摘している。
ShAPE プロセスでは、高速回転ダイによって摩擦と熱が発生し、バルクの開始成分が分散されて、新しく製造されたアルミニウム鍛造製品と同じ特性を持つ均質な合金になります。固相アプローチにより、エネルギーを大量に消費するバッチ製錬が不要になり、スクラップからの低コストの原料と組み合わせることで、これらの材料の製造コストを大幅に削減できる可能性があります。消費者にとって、これは、自動車部品、建築資材、家電製品など、リサイクルされたアルミニウム製品の寿命が長くなり、性能が向上し、コストが低くなることを意味します。
研究チームは、機械的試験と高度な画像技術を使用して、固相合金化によって生成された改良材料の内部構造を調査しました。彼らの結果は、ShAPE でアップグレードされた合金が原子レベルで独自のナノ構造を付与したことを示しました。 ShAPE プロセス中に、合金内に Guinier-Preston ゾーンと呼ばれる原子スケールの特徴が形成されます。これらの特性により、金属合金の強度が向上することが知られています。アップグレードされた合金は従来のリサイクルアルミニウムよりも 200% 強度が高く、極限引張強度も向上しています。これらの機能により、消費者にとって製品の寿命が長くなり、性能が向上します。
「廃棄物を再利用できるという私たちの能力は素晴らしいものですが、この研究で私が最も興奮しているのは、固体合金化がアルミニウム合金や廃棄物原料に限定されないことです」と、PNNL のエネルギーおよび環境担当最高科学技術責任者で、この研究の共著者でもあるシンディ・パウエル氏は述べました。「固体合金化は、理論的には考えられるあらゆる金属の組み合わせで機能します。また、製造が完全に固体状態で行われるという事実は、これまで作ることができなかったまったく新しい合金について考え始めることができることを意味します。」

固相合金化プロセスは、さまざまな 3D 印刷技術用のカスタムワイヤ合金を作成するために使用できます。たとえば、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) は、金属部品の 3D プリントや修復に使用されます。
「ワイヤーベースの積層造形の場合、カスタマイズされた組成の供給フィラメントを入手するのは困難です」とシャオ氏は言う。「固相合金化は、2%銅や5%銅などの正確な組成を持つカスタマイズされた合金を製造するための優れた方法です。」
この研究は、固体処理科学プログラムの一環として、PNNL の研究所主導研究開発プログラムによって資金提供されました。 PNNLの研究者であるTianhao Wang氏、Zehao Li氏、Tingkun Liu氏、Xiang Wang氏、Arun Devaraj氏、Cindy Powell氏、Jorge F. dos Santos氏もこの研究に参加しました。

PNLL は、金属スクラップを 3D プリント用の高価値合金にアップサイクルする固相合金化プロセスを開発しました。

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