Sublimation 3D は上海珪酸塩研究所がシリコンカーバイドセラミックスを製造するための新しい方法の探求を支援します

2022年、中国科学院上海陶磁器研究所の陳建准研究員は、高温溶融堆積と反応焼結を組み合わせたSiCセラミックスを製造する新しい方法を初めて提案しました。従来の反応焼結法で製造されたものに近い機械的特性を持つ SiC セラミックスの製造に成功しました。関連研究成果は「Additive Manufacturing」誌に掲載され、中国発明特許2件が申請された。

シリコンカーバイドセラミックスの応用と従来の製造上の難しさ<br /> 炭化ケイ素セラミックスは、高強度、高硬度、高熱伝導性、高化学的安定性などの優れた特性を持つセラミック材料の一種であり、航空宇宙、マイクロエレクトロニクス、自動車産業、原子力産業などの分野で広く使用されています。近年、自動車産業や航空宇宙産業などの分野では、大型かつ複雑な構造の部品に対する需要が高まっています。

△炭化ケイ素セラミックスの幅広い応用。現在、さまざまな複雑な構造と形状を持つSiCセラミックスの需要が急増しています。従来の製造方法は複雑で時間がかかり、金型の設計と生産サイクルが長くなります。非常に硬度が高く脆いため、加工が非常に困難です。切削工具の摩耗が激しくなるだけでなく、ひび割れなどの欠陥が発生する可能性があり、良好な表面品質と寸法精度を実現することが困難になります。上記の欠点を踏まえ、SiCセラミック製造技術と3Dプリント技術の組み合わせが現在の研究と応用の主な発展方向となり、複雑な形状の形成が難しく、加工が難しく、生産サイクルが長く、コストが高いという従来のセラミック材料の問題を効果的に解決できます。

SiCセラミックスを製造するための主流の3Dプリントプロセスの欠点<br /> 研究を通じて、チームは、SLS（レーザー粉末焼結）、SLA（光硬化）、DIW（直接インク書き込み）、BJ（バインダージェッティング）が、シリコンカーバイドセラミック3Dプリントの分野で広く研究されているよく知られた3Dプリント技術であることを知りました。

研究者は、これらのタイプのセラミック 3D 印刷技術をテストし、認定しました。金属 3D 印刷とは異なり、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ノズルから特定のパターンで層ごとに押し出して、3 次元部品を製造します。スラリーは均一で、安定しており、ずり減粘性があり、凝集していないことが求められます。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、印刷精度は常に問題となっています。

BJ 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 法や BJ 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てしまいます。

PEP印刷技術により、高固形分SiCセラミックスの印刷が可能に<br /> 調査の結果、上記の 3D 印刷技術にはすべて欠点があることが判明しました。 SiC セラミックを大型で軽量、かつ統合された形で製造できれば、明らかにより良い選択となるでしょうが、チームはどのようにして、自分たちの要件に合わせて特別に構築された独自のソリューションを見つけたのでしょうか?しかし、答えは目の前にあります。上海珪酸塩研究所は1年前、Sublimation 3DのPEP技術を使用して高性能構造セラミックやセラミックベースの複合材料などの応用に関する研究を行うことを希望し、Sublimation 3D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。

△PEP技術のプロセスフローチームは、シリコンカーバイドセラミック構造部品の3DプリントにUPS-556システムを使用しました。彼らはすぐにPEP技術の利点を発見しました。PEP技術は、熱処理プロセスを焼結ステップに移行します。これにより、焼結温度が他のタイプの直接3Dプリントプロセスに必要な完全溶融温度よりも低いため、熱応力の管理が容易になり、熱をより均一に適用できるため、製品性能の一貫性が保証されます。

△昇華3D大型独立デュアルノズル3DプリンターUPS-556
UPS-556は独立したデュアルノズル設計を採用しており、異なる種類の金属やセラミック材料の複合製品を同時に印刷したり、交互に印刷したりすることができ、複雑な構造や製品の迅速なプロトタイピングを実現し、製品の印刷時間を大幅に節約し、操作が簡単、工業用、高精度、高品質、高コストパフォーマンスなどの利点があります。反応焼結製造プロセスと組み合わせることで、複雑な構造の炭化ケイ素セラミック製品のニアネットサイズ成形に大きな利点が形成され、製品の生産効率が向上し、生産コストが削減され、複雑な構造のセラミックの製造に新しいプロセスソリューションが提供されます。

△SiCセラミック3Dプリントの模式図最近、研究チームは高温溶融堆積と反応焼結を組み合わせたSiCセラミックを製造する新しい方法を初めて提案しました。この方法は、高温のインターフェースの粉末と低温のストレスリリースを使用して、高地の印刷されたボディを調製し、低融点と高沸点を持つ高地の印刷されたボディを取得し、材料の固体コンテンツは60volを超えた炭素を使用してプラスチックの層を使用して印刷されます。脱脂後、0.80 g・CM-3に同時に、セラミックの印刷パスは、サンプルの樹木型のマルチレベルのチャネルを形成するために、CVIまたはPIP治療を必要としません2 g・cm-3、3点曲げ強度は310.41±39.32 MPaであり、弾性弾性率は346.35±22.80 GPaです。

△異なる形状とサイズのSiCセラミック△約200mmの3DプリントSiCセラミックを加工。関連研究成果は「Additive Manufacturing」に掲載され、中国の発明特許2件を申請しました。この方法により、複雑構造セラミックス製品の低コスト、高効率なニアネットサイズ成形技術の産業応用が実現すると期待されます。同時に、プラスチックボディ印刷方法は、微小重力条件下での粉末印刷の潜在的な危険性を回避し、将来の宇宙 3D 印刷の可能性を提供します。

論文リンク: doi.org/10.1016/j.addma.2022.102994
出典：中国科学院上海陶磁器研究所

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