FGKリサーチセンター:セラミックAM研究におけるAIM3Dとの提携を拡大

FGKリサーチセンター:セラミックAM研究におけるAIM3Dとの提携を拡大
3D 印刷プロセスは、従来の鋳造プロセスの代替として、ガラスおよびセラミック分野でますます重要になっています。 2021年以来、ヘール=グレンツハウゼンのFGK(ガラス・セラミック研究所)は、研究のためにAIM3DのExAM 255 CEM 3Dプリントシステムを使用しています。積層造形は、セラミック試料の評価において時間とコストの面で利点があり、また、テクニカルセラミックなどの幅広い材料の組み合わせをサポートします。



3D 印刷方法としての CEM プロセスは、より伝統的な CIM プロセス (セラミック射出成形) を基盤としています。このプロセスにより、多くの時間が節約され、コストが大幅に削減され、試作や材料テストに適用され、新しいセラミック材料をより迅速に評価できるようになりました。

セラミックマルチコンポーネントテクノロジー<br /> 「AIM3D の CEM プロセスの本当の魅力は、その柔軟性にあります」とプロジェクト エンジニアの Murat Demirtas 氏は説明します。「ExAM 255 マルチマテリアル プリンターは、セラミック/セラミック、セラミック/ポリマー、セラミック/金属の組み合わせを使用できるため、機能的なデザインを可能にする材料の種類の範囲が広がります。」

具体的には、異なるセラミックまたは他の材料の組み合わせを単一のコンポーネントに使用することで、特定の機械的特性と外観を実現できます。研究者は、まず CIM を使用して大きなベースを製造し、次に CEM を使用して小さな印刷コンポーネントを印刷することもできます。


△FGKプロジェクトエンジニアのムラト・デミルタスが実験室でテストサンプルを評価しています。

電気絶縁用のセラミックスや電気伝導用の金属材料も非常に有利です。これにより、MID (Multiple Integrated Device) アプローチが可能になり、コンポーネントのパフォーマンスが向上します。粒子のサイズを変えることで、表面特性だけでなく、特定の化学的特性(誘電抵抗)、電気的特性(伝導率)、熱的特性(耐熱性)も得ることができます。ハイブリッド材料とハイブリッド製造ソリューションのおかげで、CEM プロセスを使用した 3D 印刷はさまざまな可能性を切り開きます。


△ ExAM 255に印刷されたAl2O3(酸化アルミニウム)材料

FEAを使用したセラミック部品の設計
3D コンポーネントの設計はすでにデジタル プロセス チェーンの一部になっています。 3D コンポーネントの元のジオメトリは、反復プロセスで有限要素解析 (FEA) を使用して最適化され、コンポーネント内の応力ゾーンが継続的にシミュレートされます。さらに、熱処理によるセラミックの収縮により 3D コンポーネントが変形する可能性があるため、元の 3D プリント モデルの設計は特に重要です。

位相構造も重要な部分です。ラティス構造を採用することで、一定の強度を確保しながら軽量化を図ることができます。 「有限要素解析ツールを使用すると、必要なアプリケーションに特に適したコンポーネントを設計できるようになります」と Murat Demirtas 氏は述べています。

3D 印刷技術セラミックの利点● AIM3D の CEM プロセスでは、従来のペレットまたは粉末を使用するため、フィラメントに比べてコスト効率が高くなります。原材料に関しては、全体のコストを最大10分の1に削減できます。さらに、異なる密度のバイオニック構造が現実のものとなり、従来の CIM プロセスと比較して、印刷された部品のストレスも大幅に軽減されます。

●既存の技術により、製品をより軽量化し、使用する材料を減らすことができます。フライス加工や鋳造と比較すると、資源消費の削減は 3D 印刷プロセスの明らかな利点です。さらに、3D プリントにより、特殊なアンダーカットや生体模倣設計など、従来の製造プロセスでは生成できない形状が可能になります。

●もうひとつの大きな利点は、「使い捨て技術」アプローチです。特定の機能が統合されている場合でも、コンポーネントは組み立てることなく継続的に構築されます。したがって、従来のコンポーネントは、リサイクル技術を通じて 3D プリントを使用して最適化できます。 FGK が実施する研究は、材料研究から、部品の応力軽減を目的としたトポロジー最適化、機能強化と統合、表面品質 (多孔性) のカスタマイズまで、幅広い範囲にわたります。


△ FGKコンピテンスセンター長 マーカス・エメル博士

FGKリサーチ



FGK研究所では、CEMプロセスをはじめとするさまざまなプロセス技術を駆使して材料を分析し、セラミックスの特性をさらに向上させることを目指しています。当研究所は、産業企業に代わってプロセスチェーン全体にわたる材料サービスとコンサルティングも提供しています。したがって、FGK は原材料生産者、機械メーカー、加工業界の間の仲介役となります。

セラミック部品は生体適合性と強度に優れているため、医療用インプラントにおいて重要な役割を果たします。たとえば、セラミック部品の開放気孔構造は組織への吸収に特に適しています。可変密度の構造により、材料と重量を節約し、必要なヤング率を実現できます。セラミック部品の主要応用分野はテクニカルセラミックです。用途に応じて、セラミックソリューションは、1000 °C をはるかに超える耐熱性、電気絶縁性、高誘電率、高耐摩耗性、可変硬度、可変熱伝導率、低密度、さらには低熱膨張などの特性を持つことができます。

応用分野としては、例えば、加熱素子、スパークプラグ、高電圧部品、電子回路、大容量セラミックコンデンサー、摺動面、レーザーおよびウォータージェット切断用ノズル(切断ノズル)、ポンプ、ピストンおよびシリンダーの滑り軸受、粉体塗装された金属表面、ボールベアリング、切削材料としての使用(セラミックの切断)、機械加工、化学産業におけるポンプコーティング、医療技術で言及されているインプラントなどがあります。非技術的(伝統的)セラミックも、例えば実用セラミック(磁器を含む)、タイル、衛生用品などの分野では重要ですが、これらの材料は通常、LFAM(コンクリート用)、空気圧押し出し(磁器および粘土用)、バインダー ジェッティング(砂用)などの他の大規模な AM 技術を使用して処理されます。

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