最前線に立ち、シリコンカーバイドセラミック3Dプリントのインテリジェント製造をリード

出典: サブリメーション 3D

既存の特殊セラミック材料システムの中で、炭化ケイ素セラミックは、高強度、高硬度、安定した化学的性質、高熱伝導性、小さい熱膨張係数、良好な耐摩耗性などの優れた特性を備えており、明らかな費用対効果の利点があり、航空宇宙、自動車、新エネルギー、電子情報などの分野でかけがえのない重要な材料となっています。

特に、大型で複雑な炭化ケイ素セラミック部品の工業化された総合製造技術は、国家安全保障や航空宇宙、軍事産業、新エネルギー、半導体などの最先端技術の発展にとって重要な戦略的意義を持っています。しかし、炭化ケイ素セラミック材料は欠陥に対する感受性が高く、高温焼結時に変形が大きく、焼結後の加工が難しいなどの特性があるため、大型で複雑な炭化ケイ素セラミック部品の総合的な製造と工業化は世界的な問題となっている。

3D プリントシリコンカーバイド<br /> 熱間静水圧プレス、押し出し成形、射出成形は、シリコンカーバイドセラミック製品の製造に広く使用されていますが、コストが高く、リードタイムが長いため、これらの技術を試作や小中規模の部品の生産に使用するのは困難です。 3Dプリント技術は、ハイエンド機器の製造と修理の分野における重要な技術手段として、伝統的な製造プロセスがもたらす課題の解決に常に取り組んでおり、特殊セラミックの金型レス成形、製品設計サイクルの短縮、セラミックの微細構造の微細化を実現する上で非常に重要な役割を果たしており、セラミック3Dプリントが非常に魅力的な成長の柱となることが期待されています。

△航空機エンジンにおける炭化ケイ素セラミックスの応用（画像出典：インターネット）

現在、シリコンカーバイドセラミックを製造するための 3D プリント法が広く注目され、研究されています。関連技術としては、主にSLS（選択的レーザー焼結）、SLA（光造形）、DIW（直接インク書き込み）、BJP（バインダージェッティング）などがあります。テストと認証後、セラミック材料はレーザー加熱セラミック粉末によって直接印刷することはできません。直接 SLS 部品の焼結プロセス中に発生する熱応力により、必然的に亀裂が発生し、最終製品の機械的特性が低下します。 SLA は、感光性セラミックスラリーの光重合に基づく効果的な UV 硬化技術です。シリコンカーバイド粉末の色は通常灰色または暗色であり、シリコンカーバイド粒子の色は光透過性能と硬化能力に大きな影響を与えます。 DIW は、高セラミック含有量のスラリーを特定のパターンでノズルから層ごとに押し出して 3 次元部品を製造します。そのためには、スラリーが均一で、安定しており、せん断減粘性があり、凝集していないことが必要です。同時に、特にサポートなしのベベル印刷では、高速硬化機能も必要です。前述の SLA や SLS と比較すると、解像度は常に問題となっています。 BJP は、印刷精度を維持しながら複雑な形状を素早く印刷できます。しかし、BJP では粉末の充填密度が制限されるため、SiC の体積分率が制限されます。高密度 SiC セラミックを SLS 法または BJP 法で製造する場合、固形分と炭素密度を増加させるために PIP、CVI、CIP などの後処理ステップが追加され、3D プリントの利点が損なわれることになります。

中国で粉末押出3D印刷技術の研究開発に携わる企業、Sublimation 3Dは次のように述べている。「炭化ケイ素セラミックの製造は、特殊セラミック3D印刷技術のさらなる発展における課題の1つでした。炭化ケイ素セラミック材料は、成形プロセス中に気孔、亀裂、不均一性などの欠陥が発生するためです。成形されたセラミックデバイスは脆性破壊に耐えるのが難しく、機械的特性が大きく制限されます。当社は、粉末押出3D印刷技術による炭化ケイ素セラミックの製造を商業化することに成功し、高性能の炭化ケイ素セラミック部品の製造への扉を開いた3D印刷企業であることを非常に嬉しく思います。」

航空宇宙およびその他の分野での応用<br /> ハイエンド機器製造の分野では、3D プリンター機器が重要な生産ツールになりつつあります。 Sublimation 3Dが独自に開発した産業用独立型デュアルノズル3DプリンターUPS-250と大型独立型デュアルノズル3DプリンターUPS-556は、デュアルノズル設計により、シリコンカーバイドセラミックス系複合材料の開発と複雑な構造の形成を実現し、中国の航空宇宙、原子力産業、自動車などのハイエンド製造分野への参入に成功し、中国の製造業の革新、変革、アップグレードを促進する新たなツールとなり、高い応用価値を持っています。関連するシリーズのアプリケーションは次のとおりです。

△3Dプリントされたシリコンカーバイドセラミックサンプル（サンプル提供元：Sublimation 3D）

衛星反射鏡: 熱処理プロセスを焼結ステップに移行して、熱応力をより適切に管理します。3D プリントされたシリコンカーバイド軽量反射鏡は、同じ光学開口部と精度要件を達成しながら、大型の一体成形を実現し、より優れた熱安定性と強力な製品性能の一貫性を実現します。
ロケットノズル: シリコンカーバイドセラミックは、軽量でありながら極端な温度と圧力に耐えることができるため、このプロジェクトの重要な材料です。
エンジンタービン：3Dプリントされたシリコンカーバイドセラミックタービンは、高温部品に対する高推力対重量比の航空機エンジンの性能要件を満たし、エンジンの動作温度を300〜500°C上昇させ、構造重量を50％〜70％削減し、推力を30％〜100％増加させます。
ブレーキディスク：シリコンカーバイドセラミックブレーキディスクは、熱による減衰に効果的かつ安定的に抵抗し、耐熱性は普通のブレーキディスクより何倍も高くなっています。同時に、ブレーキディスクが軽量化されると、サスペンションシステムの応答も速くなり、車両の全体的なハンドリングレベルが向上します。
吸盤/トレイ: 3D プリントされたシリコンカーバイド吸盤/トレイは、大型、高精度、中空、独立気泡などの構造セラミック部品の製造を実現し、強度と剛性を維持しながら高い軽量性を実現します。
粉末押出3Dプリント技術の先駆者

粉末押出3D印刷技術は、セラミック/金属材料向けに設計された積層製造システムです。2016年にリリースされ、3Dプリンター、脱脂炉、焼結炉で構成されています。セラミック/金属間接3D印刷ソリューションの完全なセットを提供し、優れた表面仕上げと高い機械的特性を備えた高性能製品を製造できます。この技術的優位性を基に、Sublimation 3D は、シリコンカーバイドセラミックスの複雑な構造部品の大型、軽量、一体型製造を実現しました。
Uprise 3D プリンターは、結合したシリコンカーバイドセラミック粉末 (ポリマーバインダーとシリコンカーバイドセラミック粉末材料を適切な割合で混合) を押し出すことで、層ごとにグリーンボディを形成します。押し出しノズルシステムの構造原理と操作が簡単なため、レーザー装置の投資コストとメンテナンスコストが削減されるとともに、格子充填設定を使用して軽量強度を実現するなどの新しい機能が可能になります。

グリーンボディを印刷した後、炭化ケイ素セラミック部品を恒温水に浸して脱脂し、バインダーを除去し、焼結炉を使用して空気雰囲気を維持し、残留応力のない均一な加熱と冷却を保証します。最後に、シリコンカーバイドセラミック粒子が融合され、部品の密度が最大 99% まで高まります。

△昇華三次元炭化ケイ素セラミック焼結部品の機械的特性

テストでは、3D プリントされたシリコンカーバイドセラミック部品が業界標準を上回る性能を示しました。同時に、このプロセスは、自動車や航空宇宙などの産業における先進的なセラミックマトリックス複合材料の開発において、積層造形法の最前線での地位を継続的に強化しています。

上海珪酸塩研究所は1年前、Sublimation 3D社に大型独立型デュアルノズルプリンターUPS-556システムを発注しました。高性能構造セラミックスやセラミックス系複合材などの応用研究を通じて、最近は進歩を遂げ、炭化ケイ素セラミック光学素子などの高付加価値部品の製造に成功し、広く注目を集めています。

△上海珪酸塩研究所がUPS-556を使用して作製に成功した炭化ケイ素セラミック光学部品とその特性（*関連情報とデータは研究チームの公開特許から）

セラミックおよび金属間接3Dプリントのメーカーとして、Sublimation 3Dは現在、粉末押出3Dプリント技術を使用して、シリコンカーバイドセラミック複合材などのより高度なセラミック材料を継続的に開発および形成し、ハイエンド分野における同社のアプリケーションイノベーションを加速しています。 Sublimation 3Dの研究チームは、Sublimation 3Dの技術は航空宇宙、軍事、衛星の設計に求められる高性能、軽量、微細な微細構造の要件を満たすことができ、今後さらに多くの協力の機会を得て、同社は社会と人類の利益のためにさらに貢献するだろうと述べた。