ハルビン工業大学はダイヤモンド銅3Dプリント技術で新たな進歩を遂げた

出典: 材料科学と工学

最近、ハルビン工業大学の朱佳奇教授の研究グループは、急速な原位置硬化プロセスに基づいて、バインダージェット積層造形における胚の精密飽和を制御する方法を提案しました。この方法によれば、高精度・飽和の胚体成形が達成でき、バインダー自体の強度と胚体強度との本質的な関係を最大限に強化することができ、バインダー付加製造分野における成形品質の基礎研究にとって大きな意義がある。

関連する結果は、積層造形に関する国際的なトップジャーナルであるAdditive Manufacturingに、「バインダージェット積層造形における浸透と飽和のトレードオフを急速な原位置硬化により克服する」というタイトルで掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103157

背景

ダイヤモンド/金属マトリックス複合材料は、高い熱伝導性と低い熱膨張係数により次世代の熱管理材料として高く評価されており、大きな応用の見込みがあります。しかし、ダイヤモンドは硬度が高いため、研磨や研削などの適切な後処理方法が現在存在せず、ダイヤモンド/金属マトリックス複合材料のニアネット成形プロセスが現在の研究の焦点となっています。中でも、ダイヤモンド/金属マトリックス複合材の3Dプリント技術は広く注目を集めています。

バインダージェッティング（BJ）は、さまざまな材料に適した 3D 印刷技術です。処理中、バインダーは粉末床上に方向性を持って堆積され、複雑な三次元構造を持つグリーンボディが生成されます。バインダーと粉末の相互作用は、関連する固液系の物理的特性と粉末床の細孔構造の影響を受けるため、単純な物理モデルで印刷プロセス全体を正確に記述することは困難です。浸透飽和トレードオフ (PSTO) により、BJ によって生成される胚の寸法精度と強度の間には必然的に矛盾が生じます。有効飽和度が増すと胚の強度は増しますが、浸透距離の増加は寸法精度に悪影響を及ぼします。 PSTO を克服するために、研究者は多くの場合、処理パラメータ (粉末粒子サイズ、層の厚さ、乾燥条件など) の最適化に重点を置きます。研究者たちはこの点に関して多大な努力を払ってきましたが、PSTO 問題は十分に解決されていません。

図1 バインダー噴射原理の概略図
研究内容

本研究では、PSTOを克服するために、研究チームは独自に開発したアクリルバインダーをベースに、高速インサイチュー硬化（印刷プロセス中にバインダーを高速硬化させる）バインダージェッティング積層造形技術を開発しました。純銅粉末を印刷材料として使用することは、ダイヤモンド/銅複合材料の付加製造研究の基礎を築きます。

図2 速硬化性アクリル接着剤の特性評価 (a) 接着剤のTGAおよびDSC曲線、(b) 接着剤のDSC曲線、(c) TBPBを含まない接着剤を異なる温度で加熱したFTIR、(d) 2wt% TBPBを含む接着剤を異なる温度で加熱したFTIR
図3は浸透距離とインクジェットショット数の関係を示しています。非インサイチュー硬化（印刷プロセス中にバインダーが硬化しない）のサンプルでは、浸透距離は主に単一のインクジェットの体積に依存し、インクジェットの数が増えるとわずかに増加します。対照的に、その場で硬化したサンプルでは、インクジェットの数が増えるにつれて浸透距離が大幅に増加しました。

図3 浸透距離、飽和度、注入回数の関係 (a) 非現場硬化、(b) 現場硬化半現場硬化条件 (赤外線ランプを使用して接着剤を硬化させる従来のプロセス) では、浸透距離は主に単層接着剤の総量に関係し、注入された接着剤の量が増えると浸透距離も長くなります。多層印刷サンプル内の各層に関連付けられた彩度が重なり合うため、多層印刷サンプルの彩度は単層印刷サンプルの彩度を超えます。非インサイチュ硬化印刷方法と比較して、セミインサイチュ硬化は同じ飽和度での浸透距離が低く、これはセミインサイチュ硬化が浸透距離をある程度短縮し、PSTOを克服できることを示しています。上記の分析に基づいて、さまざまなプロセスにおけるバインダーの浸透モデルが確立されました。

図4 異なるプロセスにおける浸透プロセスモデルの構築 (a) ex-situ凝固、(b) 半in-situ凝固、(c) in-situ凝固浸透距離と飽和度の関係を図5に示します。非インサイチュー硬化条件下では、浸透距離は主に単一のバインダー注入量に依存し、飽和はバインダー注入回数の増加に伴って重なります。特定の飽和では、インサイチュー硬化印刷サンプルの浸透距離は最低になり、従来の BJ によってもたらされる PSTO を克服します。

図5 浸透距離と飽和度の関係
要約と展望

この研究では、研究チームは熱開始型の高速硬化メタクリレートバインダーシステムを開発し、印刷された胚の精度と強度に対する現場硬化条件の有益な効果を実証しました。単層および多層印刷実験を実施し、さまざまな印刷および硬化条件下でのバインダー粉末システムの印刷特性を決定し、 in-situ、半in-situ、およびin-situ条件下での印刷物理モデルを導出するための基礎を提供しました。さらに、異なる硬化条件に関連する飽和度と浸透距離の関係を調査しました。この研究は、その場で硬化する（UV または熱で活性化する）接着剤と印刷技術のさらなる開発のための参考資料となります。

変換と応用

ダイヤモンド/銅複合材料を例にとると、銅およびその合金は優れた熱伝導率（350W/m·K）と優れた耐曲げ性を備えており、高性能熱管理材料に広く使用されています。ダイヤモンドは自然界で最も熱伝導率の高い材料であり、熱伝導率は最大 2000W/m·K です。そのため、ダイヤモンド/銅複合材料システムに基づく構造/熱伝導性統合材料は、優れた機械的特性、700 W/m·K を超える高い熱伝導率、10×10-6 未満の低い熱膨張係数を備えており、電子機器の放熱問題を解決する最も有望な材料です。今後、ダイヤモンド/銅複合材の使用は、円や六角形などの基本形状に限定されず、異種ダイヤモンド/金属合金複合材の需要は増加し続けるでしょう。しかし、ダイヤモンド材料は非常に硬く、加工コストが全材料コストの65％以上を占めるため、ホットプレスや焼結成形などの従来の方法では対応できません。この技術は、ダイヤモンド/銅などのダイヤモンド/金属マトリックス複合材料の高精度積層造形に優れたアイデアを提供し、ダイヤモンド/銅材料の積層造形研究に新たな活力をもたらします。一体型構造の放熱性と高い熱流束密度を備え、レーダー、新エネルギー車、パワーデバイス、3Cエレクトロニクスなどの分野で大きな応用可能性を秘めています。

当研究室は、ダイヤモンド/銅、ダイヤモンド/チタン、ダイヤモンド/タングステン、ダイヤモンド/ニッケルなどを含む一連のダイヤモンド/金属マトリックス複合材料を独自に開発し、対応するバッチ製造プロセスを開発しました。マイクロスケール材料の微細構造に基づいた伝熱モデルを確立し、炭化物結晶成長過程のシミュレーションと界面熱抵抗結晶構造モデルの計算を組み合わせることで、複合材料界面伝熱の計算原理の開発と最適化を完了しました。独自の調整可能なダイヤモンドメタライゼーションプロセスにより、ダイヤモンド/金属マトリックス複合材料の熱伝導率のマルチスケール最適化が保証されます。

図6 研究室が独自に開発したダイヤモンド/銅粉末製品ダイヤモンド/金属系粉末材料の研究開発と積層造形プロセスの最適化に基づき、アルミニウムと銅に代表される異種部品の成形に適したダイヤモンド/金属複合材料を開発しました。熱伝導率は700W/m·Kと高く、熱膨張係数は≤10×10-6、強度は220MPaで、熱管理分野で大きな応用可能性を秘めています。マルチスケールの熱伝導構造を最適化することで、ダイヤモンド/銅複合材料の熱管理効率が向上し、複合材料の全体的な熱伝導率が低いというボトルネックを打破し、複雑で効率的な熱管理構造の設計と製造を実現し、ダイヤモンド/金属ベースの複合材料の応用展望を大幅に拡大し、エンジニアリングの潜在力を向上させます。

図7 積層造形製品 (a) ダイヤモンド銅印刷シリーズ製品、(b) ダイヤモンド/アルミニウム印刷シリーズ製品、(c) セラミック材料印刷シリーズ製品
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