実用情報: 銅/銅合金の 3D プリントに関する 9 つの技術紹介

この投稿は warrior bear によって 2022-8-6 08:30 に最後に編集されました

はじめに：銅および銅合金は、高熱伝導率（400 W /（mK）、電気伝導率（58×106 S / m）、機械加工性などの優れた物理的および化学的特性を備えており、航空宇宙、自動車、電気分野で広く使用されています。特に、銅は熱交換器とラジエーターの製造のための主要な原材料の1つです。近年、製造業と電気産業の急速な発展に伴い、構造の幾何学的複雑さに対する要件が徐々に高まっています。従来の製造方法では、複雑な構造の加工を実現することは困難です。このため、複雑な部品の統合成形を実現できる積層造形（AM）技術が徐々に前面に出てきており、銅部品の製造に大きな応用可能性を示し始めています。
研究者たちは、銅および銅合金部品の積層造形研究に多大な努力を払ってきました。 Antarctic Bear のこの記事では、現在銅部品の製造に使用されている 9 つの 3D 印刷プロセスをレビューし、各プロセスの長所と短所を評価し、関連する応用事例をまとめ、銅合金部品の積層造形の展望と課題を提示しています。
1.選択的レーザー溶融法（SLM）
選択的レーザー溶融は、レーザーを熱源として使用する粉末床溶融（PBF）積層造形技術です。 SLM プロセスでは、レーザー出力、焦点ずれ (スポットサイズ)、スキャン軌道、スキャン速度、層間距離などのパラメータによって積層造形の結果が左右されます。下の図は、SLM 技術の原理を示しています。レーザーがレンズを通して XY スキャンミラーに焦点を合わせた後、XY スキャンミラーを偏向させることでレーザーの位置を調整します。部品は CAD モデルからスライスされ、層ごとに印刷されます。各層が完成した後、レベリングローラーによって粉末層が再敷設されます。 SLM 技術には、処理速度が速い、プロセスの柔軟性が高い、材料の利用率が高いなど多くの利点があり、SLM 技術が広く使用されています。そのため、SLM技術で生産された純銅部品はさまざまな分野で使用されています。 Wang らは SLM 技術を使用して、鋼鉄表面に純銅の疎水性層を生成しました。この研究では、SLM 技術の高い柔軟性により、最大 160° の接触角を持つコーティングを製造することに成功しました。
△選択的レーザー溶融法（SLM）を用いた積層造形（AM）の模式図純銅は優れた物理的特性が特長ですが、溶融・液体状態ではレーザーに対する反射率が極めて高いという特徴も持っています。市販の SLM デバイスは、1000 ～ 1100 ナノメートルの波長のレーザーを使用します。ただし、この範囲内では、純銅はレーザー光を最大 98% 反射します。多くの学者がレーザー反射の危険性を指摘しています。 Jadhav らによる研究では、90% 反射率の銅基板上で 1080nm レーザーを繰り返しスキャンしながら、光学コーティングを保護なしで 12 時間露出させたままにしました。下の画像は、12 時間の反射後の光学コーティングの損傷を示しています。画像にはコーティングの大きな剥がれが見られ、反射したレーザー光による光学部品の損傷を示しています。さらに、反射率が高いとエネルギー損失や熱入力不足につながる可能性もあります。レーザー反射によって生じる熱入力不足の問題に対処するために、研究者は、高出力シングルモードファイバーレーザーの使用、吸収を高めるために他の波長または周波数のレーザーの使用、または粉末に他の元素を追加してレーザーの吸収を高めるなどのさまざまなアプローチを採用してきました。
△ 光学ミラーの損傷銅は 1000nm よりも 515nm のレーザー波長を吸収しやすくなります。金属のレーザー吸収率は25～40%と高いです。したがって、銅の SLM 3D プリントのエネルギー源として緑色レーザーを採用すると、レーザーエネルギーの需要が減り、焦点合わせの精度が向上します。 Prasad らによる研究では、必要な熱入力を維持するために、アルミニウム、スチール、チタンの積層造形と比較して、最大電力 (1 kW) と最小速度 (0.1 m/分) を使用しました。他の研究者は青色レーザーと赤色レーザーを使った SLM 技術を開発していますが、純銅を使った研究はあまり行われていません。
2022年4月、蘇州北峰はSP100金属3Dプリンターを通じて銅合金と純銅材料の印刷において画期的な進歩を遂げ、純銅サンプルをSP100で印刷することに成功しました。純銅部品は、主に反射率の高い材料であり、入射レーザーエネルギーが十分に吸収されないため、印刷が比較的困難です。市場に出回っているほとんどの印刷装置は、この材料の製造に緑色レーザーを使用していますが、Suzhou Beifeng SP100 はレーザーを変更することなくこの材料を完璧に制御できます。
△SP100プリンターで加工した熱交換サンプル
2. 選択的電子ビーム溶解法（SEBM）
選択的電子ビーム溶融（SEBM）技術は別の PBF 技術であり、その原理は基本的に SLM 技術と同じです。下の図に示すように、SEBM テクノロジーも 3D モデリングによって部品モデルを構築し、電子ビームの選択的溶融によって層ごとに生成します。 SLM 技術とは異なり、SEBM は熱源として電子ビームを使用します。電磁コイルを介した電子ビームの影響により、電子ビームは選択溶融領域を変更します。さらに、SEBM 技術には、製造プロセス中の部品の酸化を防ぐ高真空、高反射率の材料の処理に適した低反射率、SEBM 形成プロセスでは基板の予熱が必要なためほとんどの場合熱処理が不要、より高い電力を使用してより高い処理速度を確保できるなど、多くの利点があります。
△SEBMプロセス。左：成形室。右: 床を構築するための 4 つのステップ。
現在、SEBM技術は人工骨、航空宇宙などさまざまな分野に応用されています。材料は電子と光子を異なる方法で反射するため、SEBM 技術は反射率の高い材料の処理に非常に適しています。したがって、SEBM 技術は、溶融状態の銅の反射率が高いという問題を解決することができます。多くの研究者の注目を集めています。さらに、純金属 AM の場合、部品の特性に対する汚染物質、特に酸素の影響に敏感です。 SEBM 技術は真空状態で実行されるため、環境中の酸素の影響を回避できます。しかし、輸送中および保管中に純銅粉の酸化は避けられません。これはGuschlbauerらによって研究されました。彼らは、異なる酸素含有量の粉末を使用して部品を製造し、酸素含有量が部品の特性に与える影響を研究しました。最終的に、酸化物含有量が高すぎると亀裂やその他の欠陥が発生し、部品の性能に重大な影響を与える可能性があることが証明されました。
3. バインダージェッティング（BJ）技術<br /> バインダージェッティング（BJ）技術は、1990 年代に米国のマサチューセッツ工科大学で開発されました。 BJ 積層造形技術は PBF 技術に基づいていますが、設備に若干の違いがあります。下図は BJ 積層造形技術の概略図です。印刷システムは、プリントヘッド、パウダースプレッダー、加熱ランプ、およびプリントフィードベッドで構成されていることがわかります。印刷プロセスは、BJ テクノロジーと他の付加製造テクノロジーの主な違いです。 PBF 技術とは異なり、粉末がプリントベッド上に置かれると、プリントヘッドは計画された経路に沿って高エネルギービームを発射して粉末を溶かすのではなく、バインダーをスプレーします。次に、加熱ランプを接着剤が噴霧された場所に移動して加熱し、硬化させます。結合された部品は粉末が除去された後、高温の炉に置かれ、バインダーが焼結され熱分解されます。
△バインダージェッティング工程の概略図。
近年の発展により、BJ技術は金属やセラミックスなどさまざまな材料に広く使用されるようになりました。現在の研究では、金属の付加製造がより注目を集めています。 BJ 技術は、銅、鉄、アルミニウムなどの純金属や合金に適用されています。 BJ 付加製造技術は、その特別な利点により急速に発展しました。通常の PBF 技術と比較して、次の利点があります。1. 製造される部品のサイズ制限がありません。2. サポート構造が不要です。3. 幅広い材料に適用でき、融点や反射率などの材料の物理的特性に注意する必要がなく、異なる材料と混合できます。4. 設備価格が低く、密閉空洞が不要です。5. 粉末に対する要件が低いです。
BJ添加剤技術の特殊な加工技術は、高反射率材料の加工に適しており、純銅添加剤の加工に新たな選択肢を提供します。 2015年には早くも、BaiらはBJ付加技術を使用して純銅部品を製造する可能性を調査しました。この記事では、さまざまな粉末で製造された部品の密度、収縮率、引張強度の変化について説明します。最終的に、プロセスパラメータを調整することで、下図に示す複雑な構造部品が得られました。 BJ 付加製造技術を使用して製造された部品の最大密度は 85.5% です。 BJ 積層造形技術で製造された部品の密度は低すぎるため、部品の引張強度は従来の加工方法で製造された純銅部品よりも低くなります。密度比が低いのは、BJ 積層造形技術による部品の製造時に大量のバインダーが添加されるためです。焼結プロセス中に、バインダーが加熱されて分解され、多数の気孔が残り、部品の密度が低下します。同時に、穴が存在すると部品の性能も低下します。
△バインダージェッティングによる複雑な形状の銅
2021年2月27日、産業用3DプリンターメーカーのDigital Metalは、バインダージェッティング3Dプリント技術に適した新しい純銅粉末「DM Cu」の発売を発表しました。この材料は優れた熱伝導性で知られており、電子製品の熱交換器、パイプ、エンジン、ラジエーターなどの熱伝達部品に最適です。ユーザーは、対応する DM P2500 3D プリンターを使用して、99.9% 純度の銅部品を製造できます。 Digital Metal は、いくつかの社内テストアプリケーションを通じて新しい DM Cu 粉末を試したと理解されています。まず、同社は電波のビームを方向付けるために使用されるホーン導波管アンテナを3Dプリントした。
△3Dプリントされた純銅ホーンアンテナ、画像はDigital Metalより
4. 選択的レーザー焼結法（SLS）
選択的レーザー焼結 (SLS) 技術は 1980 年代に誕生しました。その動作原理は SLM と似ていますが、使用される材料に低融点ポリマーが一定量含まれている点が異なります。 SLS や BJ などの技術は 2 段階プロセスとして知られており、グリーンボディを印刷し、その後、後処理または焼結という別の操作で完全な密度にします。現在、この技術は研究のホットスポットとなり、徐々に工業生産に応用されつつあります。 Amorim らは、SLS 技術を使用して、銅合金材料と純銅材料の EDM 電極性能の違いを研究しました。この研究は業界に新たなアイデアをもたらします。最終的な結論では、部品内部に多数の穴があるため効果が理想的ではないことが判明しましたが、SLS による純銅製 EDM 電極は良好な作業結果を達成できませんでしたが、これは将来の研究の方向性を示唆するものでもありました。
5. 超音波積層造形（UAM）
超音波積層造形 (UAM) 技術は、SLM および SEBM 積層造形技術とは異なります。 UAM 積層造形プロセスでは熱源は必要ありません。 UAM 技術における熱のごく一部は摩擦によって生成されるため、ほとんどの学者は UAM と比較する際に拡散接合と摩擦撹拌接合を使用することを好みます。一部の学者は、UAM 積層造形技術の結合メカニズムは 2 枚の金属板間のスティックスリップ運動であると考えています。この接合機構は拡散接合と摩擦撹拌接合の中間です。
△UAM技術原理の模式図市販のUAM積層製造装置は出力が低いため、薄いアルミニウムなど一部の材料の加工にしか適していません。そこで、エジソン溶接研究所は、高出力 UAM 積層造形技術、すなわち「超高出力超音波積層造形」(VHP UAM) を開発しました。これにより、純銅の UAM 積層造形に新しい方法とアイデアも提供されます。 Sriraman らによる研究では、純銅 VHP-UAM 積層造形の接合特性が調査されました。この実験では、VHP-UAM積層造形の原料として150μmの銅箔を使用しました。部品の硬度テストでは、製造工程中に大幅な軟化と塑性流動性の向上が見られました。加工前の原料の粒径は25ミクロンでした。短時間の加工後、界面に0.3～1.0ミクロンの動的再結晶領域が形成されました。この現象により、冶金結合が粒界を越えて移動し、ストリップを連続的に溶接して 3 次元断面を形成できるようになります。現在、複雑な銅部品の UAM 積層造形技術に関する研究はあまり行われていません。一方では技術自体によって制限され、他方では部品の性能によって制限されます。現在の研究のほとんどは、UAM ラピッドプロトタイピング技術を使用して、さまざまな材料で構成された部品を製造し、その成形メカニズムを研究しています。複雑な構造の製造とは、一般的に、複雑なチャネルを持つ部品の製造を指します。
6. レーザー金属堆積法（LMD）
レーザー金属堆積技術（LMD）は、指向性エネルギー堆積（DED）のニアネットシェイプ成形技術です。この技術には独自の利点があります。この技術の成形精度はPBF技術の精度にはるかに劣りますが、大型部品の製造と修理に大きな役割を果たすことができます。 LMD テクノロジーは SLM テクノロジーと同じで、どちらも熱源としてレーザーを使用します。近年、LMD技術は業界で大きな注目を集めています。 2018 年に Arregui らは、LMD 積層造形法で製造された金属部品の幾何学的限界を研究しました。結果は、レーザーヘッドを調整せずに 90 ～ 60° で良好な成形部品が得られることを示しています。 Singh らは、LMD が製造した 1 ～ 3 mm の純銅クラッドをテストし、その接合強度は 48 MPa に達し、耐腐食性も良好であることを発見しました。腐食が活発な条件下では長年保管できますが、多孔性の問題は依然として早急に解決する必要があります。 Yadav らは、PBF プロセスを通じて LMD のプロセスウィンドウを決定し、最終的に最大 99% の密度を持つ成形部品を取得し、その引張特性が従来の銅部品よりも高いことがテストで判明しました。
△レーザー金属堆積（LMD）技術
7. FFF原理に基づく押し出し印刷技術<br /> 金属セラミックの間接3Dプリントにおける国内リーダーである深セン昇華3Dは、独自の知的財産権を持つ粉末押出印刷技術（PEP）を開発しました。このプロセスは、純銅材料の3Dプリント製造分野の課題を克服し、純銅3Dプリントにおける国内のギャップを埋めます。 PEP 技術に基づく純銅の 3D 印刷では、高エネルギーのレーザービームは不要で、純銅印刷プロセスにおける高熱伝導率と高反射率の問題を巧みに回避します。純銅部品は、まずグリーンボディを印刷し、その後脱脂と焼結を行うことで得られます。印刷プロセスでは、高密度または高伝導性、高熱伝導性の純銅部品を得るために、純銅印刷材料の配合と脱脂および焼結プロセスの要件も非常に高くなります。昇華型3次元純銅粒状材料UPGM-CUは、純銅3D印刷に非常に適しています。原材料の高純度を維持しながら、緻密化がより容易であるという特徴もあり、さまざまな銅部品の印刷ニーズを満たすことができます。 Sublimation 3Dが独自に開発した3Dプリント設備は、純銅およびその合金材料を加工して高密度部品を製造することができ、熱交換器、ラジエーター、インダクターなどの製品開発に広く使用されています。
△ 昇華3D間接3D印刷プロセスドイツのスタートアップTSIは、フィラメントに金属またはセラミック粒子を追加し、最終的に金属またはセラミック部品を得ることができる溶融フィラメントFFF 3D印刷プロセスを開発し、宇宙用途の製造機能を提供します。 ESA の支援を受けた企業として、TSI は材料の熱特性と機械特性に重点を置いています。純銅の 3D プリントは、その高い熱伝導性により常に大きな注目を集めており、TSI は低コストの 3D プリントソリューションを発売したいと考えています。同社は2021年6月にFFF技術を採用し、高密度、複雑な構造の無酸素純銅ヒートシンク印刷に成功しました。

△nTopologyが設計し、TSI溶融フィラメントで3Dプリントした純銅熱交換器
8. コールドスプレー積層造形法<br /> コールドスプレー法は、固体粉末粒子の自己凝集能力を利用して粒子同士の結合を実現する粉末堆積法です。この粉末の自己凝集は、高速衝突の条件下でのみ達成できます。このプロセスでは、高出力レーザーや高価なガスに頼るのではなく、運動エネルギーの力を活用して、わずかなコストで金属 3D プリントを可能にします。
△高圧・低圧コールドスプレー装置システム構成図
金属3Dプリンター（独自のコールドスプレー技術）のサプライヤーであり、現在オーストラリア陸軍の製造パートナーであるSPEE3Dは、米海軍のコードネームMaintenX演習への参加企業に選ばれました。この協力を通じて、実戦での3Dプリンターの導入を推進することを目指しています。 SPEE3D テクノロジーの最大の利点は、3D プリントのコストが低く、時間が短いことです。たとえば、下に示す銅製のホイールはわずか 2.8 分で完成し、コストはわずか 10 ドルと、価格面で大きな利点があります。
△SPEE3Dはわずか2.8分で銅ホイールをプリント
9. 光硬化技術
2021年8月、アメリカのHolo社は、フォトポリマースラリーとステレオリソグラフィー技術（SLA）を使用して精密金属部品を製造するPureFormという技術を発表しました。これは現在中国では珍しいものです。この技術の具体的な動作原理は、①独自の金属ポリマースラリーを準備する、②光硬化3Dプリンターで印刷する、③高密度の金属粒子ポリマーマトリックスを得る、④脱脂する、⑤焼結して完全に高密度の部品を得る、というものです。光硬化技術を使用して印刷するため、精度が比較的高く、150〜200ミクロンの構造を製造できます。 Holo のスラリーは分散性に優れており、印刷プロセス中に均一な層厚を形成でき、プリンターは 10 秒以内に新しい層を硬化できます。現在、Holo が DLP+ 脱脂および焼結プロセスで形成した純銅の平均密度は 96 ～ 98% であり、バルク銅の 95% の熱伝導率と電気伝導率を達成するのに十分です。さらに、このプロセスにより、レーザー印刷によって生じるひび割れの問題も軽減される可能性があります。 △光造形技術——PureForm △3D技術を使用して印刷された24個のマイクロインダクタコイルの配列。写真提供：Holo。
3D プリント銅の可能性と課題<br /> 銅および銅合金は、優れた電気伝導性、熱伝導性、耐腐食性、靭性を備えているため、電気、放熱、パイプライン、装飾などの分野で広く使用されています。一部の銅合金材料は、優れた電気伝導性、熱伝導性、および比較的高い強度を備えており、電子機器、航空、航空宇宙エンジンの燃焼室部品の製造に広く使用されています。今日、私たちは産業の軽量化と構造の複雑化という課題に直面していますが、積層造形技術はこれらの問題をうまく解決することができます。
実際の生産において部品の性能と可用性を確保するには、適切な積層造形方法を選択する必要があります。 SLM で製造される部品は高精度ですが、銅は反射率が高く、プロセスパラメータの高度な適応性が求められます。また、SLM加工法では急速な加熱・冷却が行われるため、サンプル内部に大きな内部応力が生じやすくなります。内部応力の影響は基板の予熱と後処理によって軽減できるが、プロセスの複雑さも増す[97]。 SEBM技術は純銅添加剤に適した方法ですが、同時に、機器の価格が高いため、この技術の広範な適用が制限され、製造される部品の精度はSLM技術よりもわずかに低くなります[93]。 BJ テクノロジーは、再処理が必要な低エネルギー密度のグリーン部品を生産できます。 SLM 技術や SEBM 技術と比較すると、BJ 技術の後処理プロセス中に部品の精度を確保することは難しく、焼結プロセスにおけるパラメータも部品の成形に大きな影響を与えます。
さらに、純銅は電気伝導性と熱伝導性に優れ、抗菌性と触媒性も備えています。 Wang らによる研究では、優れた耐摩耗性と抗菌性の両方を示すニッケルと銅を交互に堆積させたコーティングが生成されました。これにより、純銅の応用に関する新たなアイデアと方向性が生まれ、他の金属と組み合わせて複雑な医療用具を製造することができます。同時に、楊氏らの研究では、CuOがアゾ化合物の分解を触媒できることがわかった。ナノ多孔構造の使用は比表面積を増やすだけでなく、原材料の無駄を回避し、触媒のリサイクルを可能にする。
アンタークティック・ベアは、付加製造の可能性はまだ十分に探求されておらず、研究者には依然としてやるべき大きな課題が残っていると考えています。現在、人々は積層造形のプロセスを理解し、その可能性を認識し始めたばかりです。将来の開発では、部品の成形と性能をさらに向上させるために、より優れたプロセス制御が必要になります。加工方法によって利点は異なり、研究者のたゆまぬ努力が最終的に純銅部品の生産の進歩を促進することになるでしょう。これらの技術により、純銅部品の加工上の問題に対する解決策が見出され、さまざまな産業の発展と進歩が加速されることが期待されます。
参考文献:

Jiang Q, Zhang P, Yu Z, et al. 純銅の積層造形に関するレビュー[J]。コーティング、2021、11(6):740。
在庫：2021 年の世界重量級金属 3D プリント材料の新たな進歩 - 南吉雄 3D プリントネットワーク - プラットフォーム (nanjixiong.com)
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