8,000語のお役立ち情報！コールドスプレー金属3Dプリント技術の現状

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はじめに：新興の付加製造技術として、冷風噴霧（コールドスプレー）は材料加工の分野で幅広い応用の見通しを持っています。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。コールドスプレー装置とスプレー技術の研究により、コールドスプレーのいくつかの欠点は徐々に克服され、その応用分野は徐々に拡大してきました。
Antarctic Bearのこの記事では、コールドスプレー3Dプリント技術とそのコーティング堆積原理を要約し、近年の国内外のコールドスプレー金属3Dプリント技術の研究状況、応用状況、特許出願状況、開発方向、応用展望をレビューし、読者にコールドスプレー金属3Dプリントに関する専門知識のさらなる理解と学習の参考資料を提供します。
コールドスプレー技術 コールドスプレー技術は、1980 年代半ばから後半にかけて、旧ソビエト科学アカデミー理論応用力学研究所の Papyrin らによって発明されたコーティング調製方法です。研究では、粉末の噴霧速度が一定の臨界値を超えると、粉末が基材に衝突し、その表面に堆積してコーティングを形成することが判明しました。その結果、彼らは1990年にコールドスプレーの概念を提案し、コールドスプレーに関する最初の論文を発表しました。その後、コールドスプレー技術は、その製造方法の利点により徐々に人々の注目を集め、材料表面コーティング製造技術分野で急速に発展しました。同時に、研究者らはコールドスプレー装置の開発、コーティングの堆積原理、コーティングの構造と性能の研究も行い、コールドスプレー技術の開発と応用の促進に積極的な役割を果たしました。
コールドスプレー技術は、空気力学の原理に基づく新しいタイプのスプレー技術です。圧縮ガスを使用して粉末粒子をラバル収束ノズルに通して加速し、超音速の粉末粒子が基板に衝突して塑性変形を起こし、基板表面に堆積してコーティングを形成します。コールドスプレー装置は、噴霧空気圧と粉末の吐出方法により、主に高圧（1.5〜4.0MPa）コールドスプレーと低圧（0.6〜1.5MPa）コールドスプレーに分けられます。高圧コールドスプレー設備システムは、主にN2、He、またはその2つの混合物をガス源として使用し、その高圧ガス回路と粉末流パイプラインは互いに独立しています。噴霧粉末は収束拡散ノズルの前端から入り、ノズル内の熱風流と混合し、加速されて収束拡散ノズルから噴霧されます。設備システムは比較的大きく、ほとんどが固定されています。また、設備の噴霧温度は比較的高く（200〜800℃）、粉末噴霧速度は300〜1200m / sに達します。コーティングの堆積速度が高く、構造が均一で緻密であるため、大面積のコーティングを迅速に準備できますが、同時に、ガスと粉末の消費量が多く、噴霧の経済的コストが高く、設備の輸送が難しいなどの欠点もあります。
高圧コールドスプレー設備システムと比較して、低圧コールドスプレー設備システムはシンプルで持ち運びが簡単です。スプレー粉末は収束・収束ノズルの後部から入り、加速・加熱されたガスが粉末を噴射します。スプレー設備に必要なガス圧は比較的小さく、圧縮空気がキャリアガスとして主に使用されます。スプレー温度（200〜650℃）は比較的低く、スプレー粉末の速度は約350〜700m / sです。ガス消費量が少なく、スプレーコストが低い。コーティングの準備や損傷部品の添加剤修理などに使用できますが、コーティングの結合強度が低く、堆積速度が低いなどの欠点もあります。高圧・低圧コールドスプレー装置のシステム構造の概略図を下図に示します。 △高圧/低圧コールドスプレー装置システム構造の概略図。また、オリジナルのコールドスプレー技術に基づいて徐々に発展してきたコーティング調製技術には、真空コールドスプレー、パルスガスコールドスプレー、レーザーアシストコールドスプレー、衝撃波風洞コールドスプレー、電界アシストコールドスプレーなどがあります。
コールドスプレーコーティングの堆積原理 コールドスプレーコーティングの堆積原理を研究する過程で、材料の断熱せん断不安定性の発生は、コーティングの効果的な堆積のための重要な前提条件になります。 As-sadiらは、数値シミュレーションと実験的手法を組み合わせて、コールドスプレー中に銅粉末が異なる噴霧速度で基材に衝突して堆積する際の界面の応力、ひずみ、温度の変化を研究し、コーティングの堆積原理を分析しました。研究結果によると、噴霧粉末速度が速すぎたり遅すぎたりすると、浸食や跳ね返りが発生し、コーティングが堆積できないことがわかりました。噴霧粉末速度が臨界堆積速度に達するか近づくと、噴霧粉末と基板表面との高速衝突によって発生した熱が放散する時間がなく、衝突界面での応力、歪み、温度が急激に変化し、銅粉末の塑性変形が増加し、コーティングが効果的に堆積されます。さらに、スプレープロセス中の異なる粉末の堆積状態の違いにより、断熱せん断不安定性中のコーティング内の粒子間の結合モードは、主に物理的結合、機械的結合、冶金的結合、および異なる種類の粒子の高速衝突中に界面加熱によって形成される化学結合に分類できます。
コールドスプレーコーティングの堆積プロセス中、スプレーされた粉末粒子は機械的衝撃の作用により塑性変形を起こします。この変形により、粉末粒子の転位密度が増加し、界面粒子が微細化され、原子層間の相対運動が効果的に妨げられ、コーティングの硬度と強度が大幅に向上します。さらに、研究者らは金属スプレー粉末に、より大きな粒子サイズの粉末と硬質セラミック粒子も添加しました。これにより、機械的衝撃による金属粒子の塑性変形が増大しただけでなく、分散強化によってコーティングの機械的特性と摩擦特性も向上しました。例えば、コールドスプレーコーティングの堆積プロセスにおける硬質セラミック粒子の役割は、次の 4 つの段階に分けられます。(1) 硬質セラミック粒子が金属粉末を加速し、一部の硬質粒子が基材の表面に優先的に衝突します。(2) 硬質セラミック粒子が衝撃によって基材の表面の酸化物層を除去し、活性化された比較的粗い基材表面が得られます。(3) 硬質セラミック粒子はコーティングに衝突した後に跳ね返り、少量のセラミック粒子がコーティング内に堆積します。(4) 硬質セラミック粒子の継続的な衝撃によりコーティングの密度が増加し、一部のセラミック粒子は互いに衝突した後に破壊され跳ね返ります。その動作プロセスの概略図を図2に示します。
△コールドスプレーコーティング堆積時の硬質セラミック粒子の作用過程の模式図
コールドスプレーコーティングの結合メカニズム コールドスプレーに関連する文献では、研究者らが実験観察を通じて、冶金結合、機械的固定、機械的連結、界面混合などの粒子/粒子および粒子/マトリックス結合メカニズムを明らかにしています。冶金結合は、ヘテロエピタキシャル現象によって引き起こされる動的再結晶化、または高ひずみ速度での超塑性（断熱せん断）現象によって形成される金属間化合物を含む非晶質中間層です。機械的固定とは、粒子が基板に付着し、基板上に弱いくぼみを作って粒子の固定を確実にすることを指します。この現象は、セラミック基板の表面への金属粒子の堆積でよく見られます。機械的連結は、粒子が基材への浸透深度が大きいために基材に埋め込まれる現象であり、金属/ポリマー、酸化物/ポリマー、セラミック/金属、金属/金属の結合でよく見られます。この機械的な連動シナリオは、基板の表面欠陥内で堆積した粒子の変形にも拡張でき、軟質金属粒子がより硬い基板上に堆積した場合の界面における材料の連続性（軟質金属/ポリマー、金属/セラミック、ポリマー/金属間の結合など）を説明するためにも使用できます。界面混合中、結合メカニズムは界面で粒子とマトリックスを混合する界面渦の発生によって制御されます。
コールドスプレー積層造形技術（CSAM）の国内外における応用と研究の現状 理論的には、コールドスプレー技術は、厚さ50μmを超えるほぼすべての金属および金属/セラミック複合コーティングの製造に使用できます[55]。さらに、コールドスプレー堆積層は、高温、腐食、浸食、酸化、化学腐食を効果的に防止できます。現在、航空宇宙、自動車、エネルギー、医療、海洋などの分野で広く使用されており、積層造形技術の分野で独自の利点を示しています。
浙江理工大学の姚建華氏は、超音速コールドスプレーとレーザー3Dプリントを組み合わせたものを提案した。
2016年、浙江理工大学の姚建華教授は、3Dプリント産業応用の主なボトルネックを打破し、「産学研応用」を強化するために、「超音速コールドスプレー＋レーザー」という新しい3Dプリント技術に着目し、「超音速レーザー堆積法に基づく金属積層造形（3Dプリント）技術の基礎研究」を提案し、レーザークラッディングと組み合わせて、それぞれの長所を十分に発揮させました。

アクロン大学、コールドスプレー3Dプリント航空機修理技術のライセンスを申請
2017年3月、米国オハイオ州のアクロン大学は、航空機の金属部品の修理に「コールドスプレー技術」をより有効に活用する方法を模索するため、航空整備工学サービス（AMES）との協力を開始し、連邦航空局に関連するライセンス申請を提出した。

ティトミック、コールドスプレーをベースにした新しい金属 3D プリントプロセスを開発 - KineticFusion
2017年9月、オーストラリアの企業TitomicはCSIRO（連邦科学産業研究機構）と提携し、コールドスプレー技術を製造分野に応用し、新しい3Dプリントプロセス「Kinetic Fusion」を開発しました。 KineticFusion プロセスは密閉されたチャンバー内で実行され、高温ガスを使用して金属粉末を音速の 1.5 ～ 3 倍に加速し、ノズルを通してスプレーガンから排出します。このようにして、粉末粒子はターゲット表面上で互いに衝突し、塑性変形プロセスを通じて機械レベルでしっかりと結合されます。スプレーガンはロボットアームによって精密に制御されるため、設定されたパターンに従って非常に正確にスプレーすることができます。
2018年9月、ティトミックは、コールドスプレー技術をチタン合金部品の3Dプリントに応用し、ティトミックの3Dプリント技術を使用してチタン合金で頑丈な兵士用無人航空機（UAV）を製造するTAUVとの契約を発表しました。
2021年3月、ティトミックはトルコの工作機械産業および貿易会社レプコンと、レプコンが設計しティトミックのKineticFusion（TKF）3Dプリント技術を使用して製造された兵器発射管を製造するための新しい3Dプリント生産施設をオーストラリアに共同で設立する契約を締結しました。新しい施設では、Repkon の独自のフロー成形機能と Titomic の高速積層造形 (TKF) プロセスを活用して、高性能の発射管を生産します。同年11月、ティトミックは競合企業であるオランダのコールドスプレー技術会社、Dycomet Europeの買収を発表した。この取引により、ヨーロッパ、オーストラリア本社、ティトミックの米国子会社に新たな拠点が集まり、ティトミックの世界的なプレゼンスが強化されます。この契約により、ティトミックはDycometEuropeを通じて直接的な収益源を得ることになり、大陸全土で健全な顧客注文のパイプラインが確保されることになる。
△KineticFusionプロセス原理図△Titomicの超大型コールドスプレー金属3Dプリンターは9mx3mx1.5mの金属部品を製造可能
西北工科大学の李文亜教授が「コールドスプレー+」複合付加製造技術をレビュー
2019年5月、西北工科大学材料科学工学部の李文亜教授は、溶接分野のトップジャーナルに「新しいハイブリッド積層造形技術としての『コールドスプレー+』：文献レビュー」と題するレビュー論文を発表し、コールドスプレー堆積物の界面における冶金結合の弱さと可塑性の低さという科学的問題を議論し解決することを目指しました。コールドスプレーの固有の堆積特性、すなわち、各粒子が激しい塑性変形と堆積を経てコーティングを形成するため、粒子界面の結合は機械的結合が支配的であり、冶金的結合はわずかであるため、コールドスプレー堆積物の可塑性は低くなります。この科学的問題に対応するため、李文亜教授は「コールドスプレー+」という概念を提唱しました。これは、コールドスプレー複合材の熱処理後、レーザー、ショットピーニング、摩擦攪拌加工、熱間圧延、熱間静水圧プレスなどの加工製造技術により、堆積界面の冶金結合を強化し、堆積物の強度と可塑性を向上させるというものです。同時に、強化コーティングとしてのコールドスプレーコーティングは、摩擦攪拌溶接、ろう付け、溶融溶接継手の強度と可塑性を向上させると同時に、コーティングされた基材の疲労寿命を大幅に向上させます。
△コールドスプレー法で作製できる材料の種類とガス温度が堆積効率に与える影響
NRCとポリコントロールがコールドスプレー添加剤製造研究施設を開設
2019年7月、カナダ国立研究評議会とケベック州に拠点を置くエンジニアリングソリューション企業Polycontrolは、メーカーと研究者によるコールドスプレー積層造形技術の研究、採用、展開を支援するための研究所を共同で設立しました。研究センターでは、コールドスプレーによるさまざまな表面処理、コーティング、3D 蓄積を研究しています。また、局所的なレーザー熱処理、その場でのロボット加工、表面処理などの高度な技術も研究しています。

SPEE3Dコールドスプレー金属3Dプリンターは軍事分野で人気
2020年6月、オーストラリア陸軍は金属3DプリンターメーカーSPEE3DのWarpSPEE3D積層造形（AM）システムのフィールドテストを実施しました。同年8月には第2回目の実地演習が実施された。陸軍工兵隊は、SPEE3D の特許取得済みコールドスプレー 3D 印刷技術を活用し、迅速かつコスト効率の高い方法で部品を作成することができました。 WARPSPEE3D システムは、気温 37°C、湿度 80% の環境でも、最大 40 kg の重量の大型金属部品を毎分 100 グラムの速度で印刷できることが実証されています。
△オーストラリア軍はWarpSPEE3Dプリンターの運用を準備中
2021年7月8日、SPEE3Dは、コールドスプレー金属3Dプリントロケットエンジンの低コスト大量生産のために150万豪ドル（約727万4100人民元）以上の資金を調達したと発表した。 WarpSPEE3D は SPEE3D の大型金属 3D プリンターであり、従来の製造方法に比べて速度、コスト効率、拡張性が大幅に向上したマシンです。 SPEE3D の処理速度は従来の 3D 金属印刷よりも 100 ～ 1,000 倍高速であり、設計を使用可能な金属部品に変換する最も速い方法の 1 つとなっています。
△ワープスピード3D
2022年5月、SPEE3Dのコールドスプレー金属3Dプリント技術は、米国海軍によって、実際の戦闘における金属3Dプリント技術の能力を検証し、日常のメンテナンスを実現し、サプライチェーンの問題を解決することを目的としたコードネームMaintenXの演習に参加するために選ばれました。同時に、スペアパーツが不足している古い船舶の状況を改善し、戦闘による損傷を修復することもできます。
△M113に3Dプリントされたホイールベアリングキャップを装着。写真提供：SPEE3D
ドイツのImpactInnovationsが新世代の高速コールドスプレー金属3DプリンターEvoCSIIを発売
2021 年 5 月初旬、ドイツの Impact Innovations 社は最新のコールドスプレーシステムである Impact Evo CS II をリリースしました。この新しい装置は、コールドスプレー積層造形（CSAM）プロセスを採用しており、Impact Innovations 社が Airborne Engineering Ltd. 社と共同で開発しました。優れた機械的特性、大きな寸法、特定の幾何学的複雑さを備えたコンポーネントを製造できます。新しい ImpactEvoCSII は、最大 4 つのインパクトパウダーフィーダーを並行して実行できるため、バッチ生産に最適です。あるいは、このマシンは、両面スプレーを行うため、または単に容量を増やすために、2 つのインパクトスプレーガンを並行して操作することもできます。 EvoCSII は複数のセンサー、データロギング、およびより高度な制御システムを統合しており、以前のバージョンと比較して信頼性が大幅に向上しています。
△ ImpactEvoCSIIは現場をより良く監視できる
米空軍は現役航空機の修理にコールドスプレー技術を採用
2021年5月、米国エルズワース空軍基地の第28整備群積層造形飛行隊は、金属コールドスプレー（運動学的固化）技術を用いてB-1B爆撃機の翼上部のスライドジョイントを修復し、翼輪郭内での上下の垂直移動を可能にし、現役航空機で初の修理を実施しました。この技術は2019年に米空軍基地で実証されて以来、実機に初めて適用された。コールドスプレーの過程では、ヘリウムを使って粒子をマッハ3まで加速しました。衝撃により、6061アルミニウム合金粒子と基板が結合されます。コールドスプレー技術を使用すれば、修理はわずか数時間または数日で完了できると報告されており、空軍は積層造形技術を通じて毎年約200万ドル（約1,296万人民元）を節約できることになる。
△米空軍は現役の航空機の修理にコールドスプレーを使用している
ゾウ・ユー教授は、コールドスプレー添加剤製造における金属粉末の微細構造の進化と結合特性について解説します。
2021年11月、カナダのトロント大学のゾウ・ユー教授は、「コールドスプレー積層造形：微細構造の進化と結合特性」と題するAMRに関するレビュー記事を発表しました。このレビューは、コールドスプレー中の4つの一般的な金属（銅、ニッケル、アルミニウム、チタン）の微細構造の進化に焦点を当て、コールドスプレー銅の再結晶粒、焼鈍双晶、せん断帯、サブミクロン粒、変形双晶、ナノ粒子、コールドスプレーニッケルの動的再結晶、コールドスプレーアルミニウムの10nm未満の粒子の形成など、多数の組織特性をまとめました。この記事では、コールドスプレーされた材料の後処理熱処理とナノインデンテーション特性についても紹介しています。最後に、著者らは、過去の経験から学び、機械学習、ナノメカニカル試験、高エントロピー合金などの新興技術と材料を使用して、コールドスプレー積層造形研究を前進させることを提案した。
△未処理のコールドスプレー銅材料のEBSD特性（コールドスプレー条件：ガス温度473K、ガス圧力30bar）：（a）IPF画像、（b）IQ画像、（c）KAM画像、（d）双晶面境界画像。
ノースウェスタン工科大学は、コールドスプレー固体積層造形法で製造された高エントロピー合金の微細構造の進化を研究しています。
2022年2月、西北工業大学国家凝固技術重点実験室の李文亜教授らは、コールドスプレー技術を用いて、ミクロンサイズのFeCoNiCrMn粒子を800m/s以上の速度で基板に噴射し、高速衝撃を利用して、最大108～109s-1のひずみ速度の断熱塑性変形プロセスを誘発し、HEAの強靭な塑性変形プロセスを研究した。この研究は、大きなひずみ速度での極度の塑性変形下における FeCoNiCrMn 高エントロピー合金の微細構造と組成の進化に関する学術界の理解を深め、将来的に厳しい塑性変形条件を使用して FeCoNiCrMn 高エントロピー合金の微細構造をさらに最適化し、その機械的特性を改善するための重要な基礎を提供しました。
△コールドスプレー法によるFeCoNiCrMn高エントロピー合金堆積物の微細構造解析
コールドスプレー特許出願の分析 1990年にソビエト科学アカデミーがコールドスプレーの概念を提唱して以来、2000年まで、コールドスプレー技術の研究は初期段階にあり、この段階では基礎研究が多かった。他国の科学研究機関や企業もコールドスプレー技術を追跡し、科学研究を行い、一定の成果を上げている。コールドスプレー技術の特許出願もゆっくりと増加している。
2001年、米国Ktech社が初の商用コールドスプレープロトタイプを発売し、ABS Industries Ltd.も独自のスプレーシステムを開発しました。コールドスプレー技術は基礎研究段階から産業化に移行し始め、さまざまな分野で広く使用され、コールドスプレー技術の発展を大きく促進しました。そのため、関連する特許出願も急速に増加しました。
△コールドスプレー技術に関する世界および中国の特許出願件数の推移（単位：件）
近年、新たなコールドスプレー技術の開発、より実用的なコールドスプレー装置の開発、学際的な研究により、コールドスプレー技術はさらに発展し、特許出願件数も着実に増加しています。国内のコールドスプレー技術は2010年までは比較的ゆっくりと発展しましたが、2011年以降は安定した成長を維持しました。
各国のコールドスプレー技術の特許出願を比較すると、日本が最も高い割合で特許出願を行っていることがわかります。その主な理由は、日本がコールドスプレー技術の研究をいち早く開始した国の一つだからです。日本は早くも2003年にコールドスプレー技術を軍事、航空、航行部品の修理に利用しようと試み、一定の成功を収めました。中国は特許出願件数で第2位です。西安交通大学、大連理工大学、中国科学院など、一部の大学や研究機関は、初期段階に関連する科学研究を行ってきました。しかし、主な技術は研究機関にあります。たとえば、西安交通大学は1995年に超音速火炎噴射システムの開発を主導し、その後、多数の研究成果を達成しました。同時に、開発された高性能コーティング技術は、さまざまな分野で広く使用されています。米国は特許出願件数で第3位であり、ガス動力噴霧の基礎設備と工業用コンピュータシステム用ガス動力噴霧設備を早くから開発しており、関連する科学研究機関も早くから噴霧技術の最適化の研究を開始している。
△コールドスプレー技術の特許出願人の国・地域別分布ドイツ、韓国、ロシアの特許出願も一定の割合を占めている。ロシアのITAMコールドスプレー装置は最初に開発され、実際に生産され、現在一連のコールドスプレー装置を開発している。ドイツのCGT-Kineticsシリーズのコールドスプレー装置は、ロシアで生産された装置をベースに開発されたもので、最大の利点は操作が簡単で、コーティング品質が大幅に向上していることである。ロシアのオブニンスク粉末噴霧センターなどは、小型化、操作の安全性、現場での操作に適した低圧コールドスプレー装置の開発に成功している。
△コールドスプレー技術特許の主要出願人の分析
コールドスプレー3Dプリント技術の開発方向
材料多様化コールドスプレーシステムは、主に高圧と低圧の2つの形式に分けられます。高圧コールドスプレーは、より高いスプレー圧力（1.5〜5.0MPa）とスプレー温度（最大1100℃）を提供でき、材料の選択範囲が広く、スプレーガスにはヘリウムまたは窒素を使用します。低圧コールドスプレーで使用されるガス圧力は0.8MPa以下であり、粒子加速効果が悪く、材料選択の範囲も限られています。コールドスプレー粉末の種類には、金属、セラミック、ポリマー、複合粉末などがあります。金属粉末のコールドスプレーに関する研究は最も早く開始され、主に銅、アルミニウム、チタン、マグネシウム、亜鉛、スズ、タンタル、鉄ベース、ニッケルベース、チタンベース、マグネシウムベース、亜鉛ベースの合金などの安定材料に焦点を当ててきました。現在は、アモルファス、準結晶、高エントロピー合金などの準安定材料に向けて開発が進められています。ポリマー粉末は密度が低いため、通常は低圧コールドスプレー法で堆積されます。コールドスプレー法で使用されるポリマー材料には、主にポリエチレン（PE）、高密度ポリエチレン（HDPE）、超高分子量ポリエチレン（UHMWPE）、フルオロエチレンプロピレン（FEP）、ポリアミド12（PA12）などがあります。コールドスプレーセラミック粉末は、通常のコールドスプレーでは効果的に堆積することが難しく、主に真空コールドスプレーによって実現されます。たとえば、ハイドロキシアパタイト、TiN、TiO2などは、主に金属/セラミック複合粉末の形で使用されます。主な金属/セラミック複合粉末は、Al‒Al2O3、Al‒SiC、Al‒Diamond、Ni‒Al2O3、Cu‒Al2O3、Ni‒WC、Co‒WCです。同時に、基材材料の多様化により、コールドスプレー技術の応用範囲は、金属-金属系からポリマー-金属系、セラミック-金属系などへとさらに拡大しました。
材料システムの多様化に伴い、従来のプロセス条件では特殊材料の堆積要件を満たすことができなくなり、複合コールドスプレー技術の開発が現在の研究の焦点となっています。西安交通大学溶接・コーティング研究所は、5～50μmの金属粉末に約150～200μmのショットピーニング粒子をその場で添加する、マイクロ鍛造支援コールドスプレー技術を開発しました。ショットピーニング粒子は、スプレープロセス中に堆積したコーティングをマイクロ鍛造し、圧縮効果によって粒子間の結合を強化し、コーティングの相対密度を高めます。マイクロ鍛造支援コールドスプレー技術は、硬度が高く可塑性が低い金属コーティングの製造において独自の利点を持っています。ケンブリッジ大学と浙江理工大学レーザー加工技術工学研究センターは、レーザー照射加熱技術をコールドスプレー堆積プロセスに導入するレーザー支援コールドスプレー技術を開発しました。ロボットを調整してレーザースポットとスプレービームを近づけることで、粒子は基板に堆積する前に2度予熱され、粒子の温度が融点近くまで達します。通常のコールドスプレーと比較して、900℃レーザー支援コールドスプレーにより、シングルパスコーティングの厚さは869.5μmから1153μmに増加し、コーティング中のWC体積分率は23.98%から29.35%に増加しました。レーザー支援コールドスプレー技術は、二次予熱によって低塑性金属粒子の塑性変形能力を向上させ、低塑性金属材料のコーティング準備に役立ちます。下の図は、マイクロ鍛造支援およびレーザー支援コールドスプレー技術の概略図を示しています。
インサイチュマイクロ鍛造支援コールドスプレー堆積の概略図（a）と超音速レーザー堆積技術の原理図（b）
ハイエンドコールドスプレー技術の産業応用は、常に学術界を悩ませてきた問題です。コールドスプレー技術には、接着強度が低い、堆積層が脆い、ガス消費量が多いなどの問題がまだ残っているため、産業分野での大規模な推進には限界があります。現在、コールドスプレー技術は軍事・航空宇宙機器に広く使用されています。米国のエルズワース空軍基地では、ヘリウムコールドスプレー法を使用して、6062アルミニウム合金粉末を2024アルミニウム合金の表面にスプレーしています。この技術は、B-1B戦略爆撃機の留め具の皿穴の修理に使用されています。米国のティンカー空軍基地では、TF-33エンジンの後部ギアボックスハウジングを修理するために、ヘリウムコールドスプレー法を使用してAZ92Aマグネシウム合金の表面に6061アルミニウム合金をスプレーしています。カリフォルニア州サンタバーバラの企業であるInovatiは、コールドスプレー技術を使用して軍用航空機の部品の現地修理を行い、部品交換にかかる時間を大幅に短縮しています。アメリカのムーグ社は、下図に示すように、コールドスプレー技術を使用して S-92Sump ヘリコプターを修理しました。コールドスプレー技術の商業的応用は、主に回転ターゲット材料に行われ、例えば、回転チタンアルミニウム、亜鉛アルミニウム、亜鉛スズ、チタン、タンタル、銀、銅、ニッケルクロムなどのコールドスプレーが半導体、フラットパネルディスプレイ、磁気ストレージ、ガラスコーティング、装飾メッキなどの分野で使用されています。
△コールドスプレー技術による再生前後の比較：（a）修理前、（b）修理後
コールドスプレー3Dプリント技術の応用展望 コールドスプレーの低い温度と高速化は、コーティングやリサイクル可能な粒子の非酸化など、コールドスプレーの利点を現在、他の散布の材料を拡大することはできません。
将来、国内のコールドスプレー技術には、以下の研究方向に改善する余地がまだたくさんあります。
新しいコールドスプレー装置とプロセスの設計と最適化。その中で、スプレーガンは、スプレーガンの構造を改善および最適化する最も重要なデバイスであり、スプレー層の品質を改善するための最も経済的な方法であり、より多くの材料のコーティングを準備することもできます。
コールドスプレープロセスの数値シミュレーション。数値シミュレーションは、噴霧プロセス中のコーティング品質に対するさまざまなパラメーターの効果をより直感的に理解することができ、シミュレーション結果を実験結果と比較して、実験スキームを最適化し、既存の理論を検証できます。
コールドスプレーを使用して準備した新しいコーティング。スプレーパウダーの範囲を拡大し、スプレー粉末の堆積効率を改善し、コーティング粒子間の結合力を増加させることは、すべて新しいコーティングの準備の保証です。中国ではいくつかの研究がありましたが、熱耐性、熱衝突、医療、軽量など、さまざまな機能的コーティングの開発はまだほとんどありません。
コールドスプレーの前処理と後処理。噴霧前の基板粉末の前処理と、噴霧後のコーティングの後処理は、最終コーティングの品質に大きな影響を与えます。コールドスプレーコーティングの可塑性は不十分であり、適切な加工技術の下で高強度と優れた可塑性を備えたコーティングを準備することは依然として困難です。
産業部品の修理および添加剤の製造。現在、国内外でのコールドスプレーの製造の報告もあり、部品の迅速な修復にも使用でき、亀裂、摩耗などのさまざまな損傷の修復を実現することが期待されています。
参考文献:
1 2）：Doi：10.19591/j.cnki.cn11-1974/tf.2021040001.3 .4。ジー・ウェンは、コールドスプレーされたAL-7075マグネシウム合金表面での残留ストレス、2021年。 Anjixiong.com）6は、コールドスプレー3D印刷を再生します、Titomic＆Tauvは、オーストラリア初のメタル3D印刷ドローンナンジキシオン3Dプリントネットワークプラットフォーム（nanjixiong.com）を発売しました。 Titomic Cold Spray 3D印刷テクノロジー（TKF）は、超大型チタン合金ロケットを製造しています。 d Printer-nanjixiong Bear 3D印刷ネットワークプラットフォーム（nanjixiong.com）12。 -nanjixiongベア3D印刷ネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）13。高速および低コストのメタル3Dプリントの製造ロケットベア3D印刷ネットワーク（nanjixiong.com）。（nanjixiong.com）トロント大学のZou Yu教授：コールドスプレー添加剤の金属粉末粒子の組織進化と結合特性Nanjixiongベア3D印刷ネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）15。ヨーロッパ市場を拡大してください！ Titomicはオランダのコールドスプレー会社Dycometを買収 - 南極ベア3D印刷ネットワーク - プラットフォーム（nanjixiong.com）16。Spee3Dコールドスプレーメタル3D印刷は、米国海軍のサプライチェーンを解決し、8月の実際の戦闘演習に参加します - 南極ベア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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3Dバイオプリント心臓パッチが瘢痕を元に戻し、心臓発作後の心筋再生を促進

Artec 3Dは、スキャンからCADへの速度を8倍向上させる新しい3DスキャンソフトウェアArtec Studio 16をリリースしました。

科学者は音響ボクセルを使用して3Dプリントされた物体の音響特性を操作する

科学者たちは4種類のバイオインクを使って組織を3Dプリントし、ラットに拒絶反応なく移植して癌研究に利用できるようにした。

数秒でトップ 10 の 3D プリント原理を理解するための 40 枚のアニメーション画像 (ポリマー部分 + 金属部分)!

航空部品における粉末床積層造形の有限要素シミュレーションの応用技術の研究

OSSEUS Aries 3Dプリント脊椎インプラントがFDAの承認を取得