2023 AMS スピーカースポットライト: タングステンは 3D プリント用の新興合金です

2023年2月6日、Antarctic Bearは、Hyperion Precision Solutionsが、ユーザーのために複雑な部品形状を処理するだけでなく、顧客に硬質材料の専門知識を提供し、高度な3D印刷技術を使用してこれまで不可能だった形状を提供する、世界有数の材料科学企業であることを知りました。

△ハイペリオンは、3Dプリント製造技術における新興合金としてタングステンカーバイドを推進している
タングステンカーバイド素材<br /> タングステンは、工具鋼に比べて硬度特性が優れており、セラミックに比べて靭性も優れているため、多くの産業で使用されています。

これらの優れた特性により、タングステンは鋸引き、フライス加工、旋削などの金属切削用途で使用される工具に最もよく使用されます。タングステンカーバイドは、激しい摩耗にさらされても優れた耐用年数を誇るため、流体分配やフロー用途でもよく使用されていることを知ると、多くの人が驚きます。さらに、タングステンの耐摩耗性が向上することで、ウォータージェット切断、石油・ガス、電子機器などの産業におけるノズルなどの部品の耐用年数を延ばすことができます。

まず、ここで説明しておくべきことは、タングステンカーバイドは、実際のタングステンカーバイドと金属バインダー、およびその他の添加炭化物 (TiC や TaC など) で構成される広範な合金のクラスに使用される名前であるということです。最も一般的な 2 つの金属バインダーはコバルトとニッケルです。金属バインダーは、硬度、靭性、化学的適合性などの特性に影響を与えます。その含有量は、望ましい特性に応じて、完成品の 3 ～ 20% の間で変化します。

△3Dプリントされたタングステンカーバイドフロー制御部品
伝統工芸が抱える課題 すぐにプレスできる粉末は、タングステンカーバイド (WC) 粉末、金属バインダー、有機バインダーを溶媒に混合し、スプレー乾燥プロセスを使用して混合物から溶媒を蒸発させることによって作られます。次に、粉末をプレス機で圧縮して、チョークの棒とほぼ同じ強度のグリーンボディを形成します。グリーンボディは脆いですが、従来の旋削、フライス加工、穴あけ加工技術を使用して機械加工することができます。焼結中にグリーンボディが 20% 収縮するため、形状を計算する際には注意が必要です。さらに、焼結中の高温（華氏 2500 ～ 2700 度）では金属バインダーが溶けるため、部品が比較的柔らかくなり、薄壁部分が崩壊する可能性があります。焼結工程から取り出されると、部品は硬化した状態になります。さらに、収縮のため、グリーン成形中に精密な特徴を作成することはできません。つまり、焼結後に硬化部品に複雑で精密な幾何学的特徴を追加する必要があります。

鋼鉄部品とは異なり、硬化状態の炭化タングステンは、従来の方法では旋削、穴あけ、フライス加工、溶接を行うことができません。一方、従来の研削および EDM プロセスは時間がかかり、コストもかかり、特定の形状を作成する能力にも限界があります。

△3Dプリントタングステンカーバイドスクリューポンプローター
タングステンカーバイド3Dプリント応用事例<br /> ここで、バインダージェッティングや FDM などの 3D 印刷技術が、これまでタングステンカーバイドでは不可能だった形状を作成することで、顧客価値を高めることができます。粉末の印刷やプレスには課題もありますが、技術は進歩しています。

一例として、3D プリントされたプログレッシブキャビティポンプローター (モワノ原理) が挙げられます。このローターの形状は、未加工部品で形成することも、完成部品で研磨することも不可能です。したがって、3D プリント技術を使用すると、ポンプ設計者は、耐摩耗性のある液体ポンプを設計する際に、別の材料を使用して摩耗に対抗することができます。

△ 3D プリントされたタングステンカーバイドノズルのもう 1 つの例としては、湾曲した流体経路が望ましい流体分配用の一体型ノズルまたはディフューザーの作成が挙げられます。ほんの数年前までは、これらの形状はタングステンカーバイドでは実現不可能と考えられており、エンジニアは最適ではない材料や効率の低い形状を選択せざるを得ず、どちらも顧客に継続的なメンテナンスコストを課す結果となっていました。

Hyperion Precision Solutions は、2023 年 2 月 7 日から 9 日までニューヨーク市で開催される 2023 AMS Additive Manufacturing Strategies Conference に参加します。

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