金属 3D プリントサポートの電気化学的除去

はじめに: 金属 3D プリント業界は急速に発展していますが、解決すべき問題はまだ多く残っており、その 1 つがサポート構造の除去です。これは機械加工によって実現できるほか、 Stratasys などの企業が開発しているような可溶性材料を使用することで実現できます。機械的な処理方法は扱いにくく、印刷された部品に損傷を与える可能性があります。溶解可能な材料の種類は限られており、通常はプラスチック材料にのみ適用できます。金属サポートの場合、この方法は機能しません。

金属支持体の電気化学的除去の概要<br /> アンタークティックベアは、アリゾナ州立大学（ASU）の研究者らが2016年にすでに電気化学的手法を用いて金属支持体を除去することを提案しており、この手法は外国特許を申請中であることを知った。原理は以下の図に示されています。

図の灰色の部分が、実際に必要な部品エンティティです。印刷を成功させるには、通常、部品のエンティティ部分（図の黒い部分）にサポートを追加する必要があります。電気化学的支持体除去は、本質的に「犠牲陽極の陰極保護法」です。この方法は通常、金属の腐食を防ぐために使用されます。強力な還元特性を持つ金属を保護電極として使用し、保護された金属に接続して一次電池を形成します。強力な還元特性を持つ金属は負極として酸化反応によって消費され、保護された金属は腐食を防ぐために正極として使用できます。同じ電解質内で 2 つの金属が接触しているか、または同じ材料の異なる部分が異なる電解質内で接触しているか (水面上と水面下の船体など)。陽極酸化される材料は、より負の還元電位を持ち、部品材料よりも優先して酸化されます。支持材は還元性の強い陽極材と同等であり、除去される。

最初の電気化学金属サポートソリューション

Antarctic Bear は、この方法が 5 ～ 6 年ほど前から提案されているが、研究者はまだほとんど研究を行っていないことを知っています。アリゾナ州立大学（ASU）の研究者らが、金属サポートを除去するためにこの方法を初めて（2016年に）使用しました。以下は、金属 3D プリントサポートの溶解の電気化学プロセスです。

この研究では、研究者らは304ステンレス鋼で作られた部品を3Dプリントし、炭素鋼をサポート材料として使用しました。具体的な原理は、硝酸と酸素を使用した電気化学エッチング技術を使用して炭素鋼のサポートを除去することでした。この方法は実行可能であることが証明されており、さらに重要なことに、ステンレス鋼のプリントには影響を及ぼしません。下の写真は、研究者が炭素鋼を支持体として使用してステンレス鋼の橋を作り、その後電気化学（41重量％硝酸溶液と酸素）によって炭素鋼を除去した様子を示しています。研究者たちは当初、このケースでは腐食速度が遅すぎて、1.4 mmの炭素鋼を除去するのに10時間もかかることがわかったため、酸素を使用しなかった。その後、反応を加速するために酸素を導入し、残りの7mmの炭素鋼を完全に除去するのにわずか6時間しかかかりませんでした。

△炭素鋼支持体を除去する電気化学エッチング技術

南極ベアは、電気化学エッチングによって金属支持体を除去することが原理的には実行可能であることを発見しました（実験によって証明されています）が、国内外でこの技術に関する研究はまだほとんど行われておらず、現在のところ成熟した産業応用はありません。主に以下の問題があります。
犠牲陽極材料は、印刷された材料と冶金学的に適合している必要があります。つまり、同様の結晶構造、熱伝導率、熱膨張係数を持ち、有害な金属間化合物を形成してはなりません。これにより、犠牲陽極と印刷部品との接触が、金属 3D 印刷プロセス中の極端な熱サイクルによって生じるストレスに耐える十分な機械的強度を持つことが保証されます。

●腐食性の高い電解液を使用する必要があります。この電解質は、印刷された材料と比較して、高い選択性（> 100:1）で犠牲陽極を溶解できる必要があります。

●プロセスは制御可能である必要があり、精度を確保することは困難です。化学反応の速度と時間を制御することは困難であり、印刷材料がわずかに除去されたり、サポート材料が完全に除去されなかったりすることがあります。

特許ダウンロード:
論文研究：

金属 3D プリントサポートの電気化学的除去

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