レーザーベースのマルチマテリアル金属3Dプリント技術の進歩

南極熊の紹介：一般的な3D印刷技術（AM）方法と比較して、マルチマテリアル3D印刷技術（MMAM）は、材料、構造、機能を統合してカスタマイズ可能な機能（局所的な耐摩耗性、高い熱伝導性、断熱性、化学腐食耐性など）を実現するなど、より高いレベルの設計自由度を実現できます。しかし、現時点では金属材料のMMAM技術はまだ研究段階にあります。

△レーザー金属堆積法（LMD）、レーザー粉末床溶融結合法（LPBF）、レーザー誘起前方転写法（LIFT）は、さまざまな金属材料を製造することができます。 LMD と LPBF は最大 1 メートルサイズのサンプルを印刷でき、LIFT はミクロンサイズのコンポーネントを製造できます。
2022年8月31日、アンタークティックベアは、マンチェスター大学がInternational Journal of Extreme Manufacturingに掲載した研究で、さまざまな金属材料のマクロおよびミクロ製造に使用されるレーザー粉末床溶融結合法（LPBF）、レーザーベースの指向性エネルギー堆積法（L-DED）、レーザー誘起前方転写法（LIFT）など、レーザーベースのマルチマテリアル金属3Dプリント技術（MMAM）の最新の進歩がまとめられたことを知りました。

技術的背景<br /> さまざまな粉末材料の堆積メカニズムにおけるさまざまな新しい発明のおかげで、LPBF 法と LDED 法を使用した大型のマルチマテリアル部品の製造が現実のものとなりました。この技術は、航空宇宙、海洋、原子力、医療産業における統合機能部品の製造に幅広く利用できます。

複数の金属物体のマイクロ 3D 印刷では、現在、固体 LIFT 技術と流体 LIFT 技術が主に使用されています。これは、ドナープレートから構築基板に金属液滴を噴射する材料転送メカニズムが、異なる材料を一緒に印刷するのに非常に適しているためです。

材料堆積プロセス中、ドナーと印刷対象物は接触しないため、異種原材料の相互汚染の問題を回避できます。マイクロスケール金属 3D 印刷技術の潜在的な用途には、3D マイクロスケール金属構造、エネルギー貯蔵コンポーネント、電子コンポーネント、生体分子、生化学センサーおよび細胞、さらには機能デバイスを他のコンポーネントの表面に直接転写することなどがあります。

△マンチェスター大学が開発したマルチマテリアルLBPF技術プロセスと実験装置の概略図
レーザーベースの MMAM 技術の問題点<br /> この技術はまだ初期段階にあるため、解決すべき技術的な課題がまだ多く残っています。マンチェスター大学のLi Lin教授率いる研究チームは、この分野における最新の進歩を報告し、価値の高いターゲットを設定した将来の研究課題を指摘した。

マルチマテリアル金属 3D 印刷技術の装置は、材料の分布の課題 (必要な空間領域に適切な材料を配置する方法) が異なるため、従来の単一材料印刷プロセスとは大きく異なる場合があります。この研究では、材料の供給方法、異種材料の接合、処理パラメータ、および印刷されたマルチマテリアル金属 3D プリント部品の性能についてまとめています。

各マルチマテリアル金属 3D プリント手法の材料供給方法を紹介し、その利点を比較します。異種材料を接合する代表的な3つの方法を紹介します。このプロセスで印刷される傾斜機能材料 (FGM) の組成は常に変化するため、良好な印刷品質を実現するには、各材料組成に合わせてレーザーパラメータを最適化することが重要です。

レーザーパラメータがマルチマテリアル金属 3D プリントの微細構造に与える影響も、相転移、金属間化合物の形成、最終的な機械的特性など、従来の単一マテリアル 3D プリント技術の影響とは大きく異なる可能性があります。現在市販されている 3D 設計ソフトウェア、相変化予測ソフトウェア、シミュレーションモデリングソフトウェアは、通常、単一材料処理用に設計されており、複数材料処理に必要な熱力学データベースが欠けています。

上記の問題はすべて、この技術を研究室から実際の産業応用に移行させるために埋める必要がある知識のギャップです。ウェイ・チャオ教授は次のように説明した。「最終部品の要件に基づいて適切なプロセスを選択する必要があります。その前に、ユーザーが製造方法を選択するために既存の方法を理解することが非常に重要です。」

△マンチェスター大学（ポータル）の研究レポート「レーザーベースの多金属材料の積層造形の概要：マクロからミクロまで」の詳細情報を入手してください。
マルチマテリアル金属3Dプリント技術の将来性<br /> この技術は新しいプロセスとして、大きな技術的利点を持っています。異なる材料を組み合わせることでコンポーネントに異なる特性を与えることができるため、3D プリントコンポーネントに新たな自由度がもたらされます。魏教授は、可能性のある分野の中で、「レーザーベースのマルチマテリアル金属3D印刷技術は、例えば、金属機能3D構造、エネルギー貯蔵部品、バイオメディカル分野の印刷組織臓器などで大きな可能性を秘めている」と述べた。

主任研究者の一人であるLi Lin教授は次のようにコメントしています。「従来の製造方法と比較すると、この技術は製造工程の簡素化、設計の自由度の向上、試作の時間とコストの削減という明らかな利点があります。私たちの現在の研究は、この新しい研究への扉を開くものであり、より多くの研究者がこの分野に参入し、マルチマテリアル金属3Dプリント技術の開発を共同で推進することを願っています。」

アンタークティックベアは、将来のマルチマテリアル金属3Dプリント技術の研究は、機械工学、製造工学、材料科学、電子工学、フォトニクス、生物学などの分野を巻き込んだ、明らかに学際的なものである、と結論付けました。複雑なハイブリッド製造システムを統合し、プロセスパラメータの高スループット最適化、AI ベースの品質監視を必要とし、印刷された部品の長期的な信頼性を評価するため、さらなる研究が必要です。しかし、これらの問題は、実際の産業応用ニーズの指導のもと、学術界での共同研究を通じて最終的に解決されると信じています。

レーザーベースのマルチマテリアル金属3Dプリント技術の進歩

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