3Dプリントと粉末冶金の革新的な組み合わせ、金属およびセラミック材料をサポートする3次元PEP技術の昇華

アンタークティック・ベアは、3D プリントが製造業を転覆させるだろうと気づき、産業発展の再構築を支持する多くの人々の間で共通の信念となっている。しかし、中国では10年以上の開発を経ても、3Dプリンティングは依然として工業製造におけるコストと効率の問題に直面しています。世界的に、金属 3D プリント技術は、主に直接金属 3D プリントと間接金属 3D プリントの 2 つの陣営に分かれています。このうち、直接金属3Dプリントは金属材料を直接金属部品に印刷するもので、間接金属3Dプリントは金属材料を接着剤などを介して形状に印刷し、その後接着剤を除去して最終的に金属部品を得るものです。

現在、直接金属 3D 印刷技術では、主に高価なレーザー、電子ビーム、プラズマを入力熱源として使用し、金属粉末またはその混合物を直接焼結または溶融して製品を層ごとに印刷します。主な技術としては、選択的レーザー焼結/溶融（SLS、SLM）、電子ビーム選択溶融成形（EBSM）、直接金属レーザー焼結/堆積（DMLS、DMD、LENS）、急速プラズマ堆積（RPD）などがあります。共通の技術的特徴は、印刷と溶融を統合して製品の形状と性能を同時に得ることです。欠点としては、レーザーなどの設備や材料が高価で、工業生産のニーズを満たすことができる印刷材料が限られており、運用コストが高いこと、点と線の形成アルゴリズムが複雑で、印刷速度が遅く、プロセス開発が難しいこと、プロセスが複雑で制御が難しく、製品の性能が一定でないことが挙げられます。

△ダイレクト3Dプリント技術

1. PEPテクノロジー Sublimation 3D社が発表した「3Dプリント＋粉末冶金」を組み合わせた金属セラミック間接3Dプリント技術、粉末押出しプリント（PEP）。高強度エネルギービームを使用して金属やその他の材料を焼結または溶融し、製品の形状と性能を同時に得る直接 3D 印刷技術とは異なり、PEP 技術は印刷と脱結合焼結を分離し、段階的に製品の形状と性能を得ます。

△間接金属3Dプリント

PEP テクノロジーは、3D プリントによる材料制御と成形を革新的に実現し、金属/セラミック部品の個別カスタマイズに対応します。 3D プリントは金型を使わないモデル作成を実現し、金型開発にかかる製造コストと時間コストを節約します。 PEP 技術は、従来のレーザー 3D 印刷の効率の欠陥とサイズの制限を補い、コストが低く、金属粉末材料のレーザー直接印刷の応用に急速に挑戦しており、金属部品のバッチ印刷の重要な技術になりつつあります。

2. 技術的特徴
PEP技術は、30年以上にわたって開発され、エレクトロニクス3C、自動車、医療、軍事、航空宇宙の分野で広く使用されている金属セラミック粉末射出成形（PIM）技術を活用しています。これら 2 つのプロセスには多くの類似点があり、3D プリントの材料の制御と成形を組み合わせることで、金属およびセラミック部品の究極のパーソナライズおよびカスタマイズされた生産を実現できます。一定の密度と強度を持つグリーンボディを得た後、粉末射出成形技術の関連プロセスを使用して製品を脱脂および焼結し、一貫した優れた性能を持つ製品を得ます。

△粉末射出成形プロセス△PEP技術プロセス
1. 3Dプリント PEP 技術に基づいて、金属粒子が 3D プリンターで層ごとに押し出され、積み重ねられます。設計に従って、胚が層ごとに印刷されます。 3D プリントは、プロトタイプのテスト、複雑な形状、小ロット生産に適していることが多いです。一般的に、当社が独自に開発した Uprise 3D プリンターは、金属からセラミックまでさまざまな材料を、安定した印刷性能と高精度で印刷できます。印刷後、緑色の胚は脱結合および焼結のプロセスを経る必要があります。

2. 脱脂脱バインダーの目的は、3D プリントされたグリーンボディからバインダーポリマーの大部分を除去することです。脱脂の工程は比較的簡単です。生の胚を適量の脱脂剤に一定時間浸します。脱脂プロセスには、水脱脂、溶剤脱脂、触媒脱脂が含まれます。一般的に、当社の脱脂剤は硝酸の代わりに、より環境に優しく安全なマイルドなシュウ酸を採用しています。また、当社の脱脂炉はバッチ処理が可能で操作も簡単です。バインダーポリマーが除去されると、その部品はブラウンシートと呼ばれ、焼結に送られて高密度の金属部品が得られます。

3. 焼結最終的な金属部品を得るためには、焼結プロセスが必要かつ重要です。焼結条件は真空雰囲気中、高温で行う必要があります。焼結炉はバッチ処理が可能で、高性能かつ操作が簡単です。焼結により、まず残留バインダーポリマーが適度な加熱温度で除去されます。温度が金属粒子の融点を超えると、粒子は溶け始め、密度がほぼ 98% まで増加します。注目すべきは、焼結プロセス中に、バインダーポリマーの除去と金属粒子の成長により収縮が発生しますが、収縮率は一定であるということです。金属部品は、3D モデリングの段階での収縮を補うために拡大されます。焼結金属部品は優れた機械的特性を備えており、さまざまな産業目的や用途に使用されています。

4. 後処理焼結金属部品は密度が高く、すぐに使用できます。ただし、より美しい外観が求められる場合には、研磨やコーティングなどの後処理方法を使用することもできます。通常、より高い精度を実現するために CNC ミリングが行われます。これらの方法はすべて包括的であり、コストも手頃です。

3. 技術的な利点

PEP 技術は粉末冶金業界のデジタル化を促進し、粉末冶金分野における 3D プリントの応用を解き放ち、粉末冶金の潜在能力を解放します。主な技術的利点は次のとおりです。
粉末射出成形の成熟した安定した技術システムを採用しており、幅広い材料システムに対応し、製品性能の一貫性も良好です。
直接 3D 印刷技術と比較すると、印刷装置、材料、印刷コストが低く、成形精度が高く、3D 印刷アプリケーションの促進と普及に役立ちます。
印刷製品の性能は粉末射出成形や鍛造品のレベルに達します
環境に優しく、印刷材料はリサイクル可能で、有効利用率が高い
複雑な金属/セラミック製品向けの低コストのカスタマイズおよび大量生産ソリューション

4. サポートされているマテリアルシステム<br /> ステンレス鋼、金型鋼、銅および銅合金、アルミニウム合金、高温合金、チタン合金、高融点金属などの金属材料から、ジルコニア、アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素などのセラミック材料まで、潜在的な材料のほぼ無限のリストは、3D プリンティングが大規模にアプリケーション市場に参入するための好ましい客観的条件を作り出します。

△南極熊展昇華立体間接金属3Dプリント展示を撮影