サンドビック、耐用年数が20倍に伸びた3Dプリント超耐久性超硬合金を発売

2022年4月14日、Antarctic Bearは、スウェーデンの多国籍エンジニアリング企業Sandvikが新しいタイプの3Dプリント可能な超硬合金の開発を発表したことを知りました。これまでは他の技術でしか製造できなかったこの素材は、コバルトとタングステンカーバイドのマトリックスの独自の強靭な構造を持ち、要求の厳しい高性能部品の製造に必要な耐久性を備えています。

サンドビック社によると、自社開発のプロセスで生産される新しい炭化物粉末は、他の鋼や合金で生産されるものよりも速く、寿命も「最大20倍」長く、3Dプリントで物体にすることができるという。

「当社の粉末は、見た目が良く、機能性に優れ、実際の用途、要求の厳しい環境、および連続生産に適した部品を印刷するように最適化されています」と、サンドビックの積層造形担当主任製品マネージャー、アンダース・オールソン氏は説明します。「カーバイドを 3D 印刷できるようになったことで、市場投入までの時間も大幅に短縮されました。プロトタイプには以前は 6 ～ 12 か月かかっていましたが、サンドビック独自の粉末とプロセスのおかげで、今ではリードタイムはわずか数週間です。」

サンドビックの3Dプリントポートフォリオ

サンドビックの事業は金属切削、デジタル製造、鉱業、建設業界に及びますが、3D プリント事業は主に粉末開発、コンサルティング、製造サービスに重点を置いています。

材料面では、サンドビックは 15 年以上を費やして、Osprey 3D プリント合金の広範なポートフォリオを構築してきました。ガスアトマイゼーションタワーで製造されるこれらの粉末は、あらゆる印刷技術に合わせてカスタマイズでき、粒子サイズは 5 ～ 500 ミクロンの範囲です。同社のオスプレイ金属製品は、1～6,000kgのロットで提供されており、現在では鋼鉄からニッケルベースの超合金まであらゆるものが揃っており、幅広い用途に対応できるようになっています。

最近では、これらの材料は GE Additive の Binder Jet Beta パートナープログラムで使用されました。 2020年後半に締結された戦略的パートナーシップに基づき、サンドビックは、機械の生産使用と引き換えに、オスプレイ粉末を使用したGEアディティブのH2バインダージェット3Dプリンターのテストメカニズムを提供した。

サンドビックは1年前にBEAMITの株式を取得して以来、付加製造能力の限界を押し広げることも模索してきた。たとえば、サンドビックは部品子会社と協力してスーパー二相ステンレス鋼部品を 3D プリントする機能を開発し、最近では掘削リグ部品の性能向上手段としてボリデンの鉱山で 3D プリントの試験運用を開始しました。

△サンドビックは、以前に開発したスーパー二相鋼を使用して、最適化されたオフショアインペラを3Dプリントしました（写真参照）。画像提供：Sandvik。
新しい超硬合金

超硬合金は、耐摩耗相が延性金属結合剤によって保持される独自の複合構造により、金属切削、農業、食品、石油・ガス用途の部品を製造するために必要な強度を備えています。

しかし、その固有の硬度のため、超硬合金は、特に複雑な形状の部品に機械加工するのが難しい場合があります。 1932年からこの種の材料に取り組んできたサンドビック社は、その専門知識を生かして「優れた耐摩耗性」を持つ新しい粉末を開発し、この問題を克服しようとした。

非公開の「特許取得済みプロセス」で開発されたこの粉末は、3Dプリントによってもたらされる廃棄物の削減と設計の自由度の向上を活用しながら、従来と同じ超硬質部品を生産できると言われている。

オールソン氏は次のように付け加えた。「ビジネスに付加製造を導入すると、基本的にこれまでの設計上の制約がすべてなくなり、特定の形状やフォームに合わせる必要はなく、運用上のニーズや要件に基づいて部品を設計することに集中できるようになります。超硬質金属は最も硬い材料の 1 つであり、私たちの研究は硬質材料の 3D 印刷の分野に特別な意味を持っています。」

△超硬合金3Dプリンターで出力した部品。画像提供：Sandvik。
新しい粉末の潜在的な用途を実証するために、Sandvik は最近の研究開発プロジェクトの一環として、この粉末をブラシペン先に 3D プリントしました。同社によれば、この部品は閉ループのスパイラル冷却チャネルを備えており、これにより、従来の製造方法では不可能であった、ワイヤーを乾燥した状態に保ちながら効率的な冷却を実現できるという。

今後、サンドビック社は、この素材の極めて高い耐久性により、生産性を最適化する必要がある業界、特に厳しい環境で稼働する業界に最適なものになると考えています。

サンドビックの積層造形部門マネージャー、ミカエル・シュイスキー博士は、次のように結論付けています。「材料技術における当社の長年の経験と、積層造形バリューチェーン全体にわたる専門知識を組み合わせることで、当社はわずかなスピードで革新を起こすことができます。これにより、3D プリントの産業化への移行を推進し、持続可能な製造が可能であるだけでなく、すでに実現していることを証明する上で、当社には独自の優位性があります。当社にとって、カーバイドを使用した 3D プリントは、数十年にわたってこれらの材料を改良してきたため、自然な次のステップです。」

△サンドビックの3Dプリントタングステンカーバイドブラシ仕上げのペン先。画像提供：サンドビック
高強度材料の進歩

サンドビックの超硬合金に関する画期的な進歩は間違いなく印象的ですが、この素材の 3D プリントの可能性を調査し始めたのは同社が初めてではありません。実際、2019 年には、VBN Components の超硬合金 Vibenite 480 素材が MM Maschinenmarkt の Additive Manufacturing Innovation Award を受賞しました。

他にも、特に高強度部品の積層造形用に、数多くの「超合金」が開発されています。昨年初め、カリフォルニア大学サンタバーバラ校とオークリッジ国立研究所の研究者らは、高温PBFを使用して製造された部品で頻繁に発生する亀裂の問題を克服できる、欠陥に強い新しい3Dプリント超合金を設計したことを明らかにした。

同様に、ロスワグ・エンジニアリング社は以前、ニッケルベースのワスパロイ合金の特性を明らかにしており、同社によれば、この合金は耐腐食性と耐酸化性に優れているという。同社の初期テストでは、Waspaloy は 1403 MPa の引張強度と 21% の破断伸びを示し、航空宇宙などの要求の厳しい用途でよく使用されるインコネル 718 などの金属よりも優れた性能を示しました。

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