ORNLはアルミニウム合金からピストンを3Dプリントし、実物大エンジンでテストする

ORNLはアルミニウム合金からピストンを3Dプリントし、実物大エンジンでテストする
出典: Gasgoo

海外メディアの報道によると、オークリッジ国立研究所(ORNL)の研究者らは、付加製造(3Dプリント)技術を用いて軽量アルミニウム合金を製造し、300℃でのクリープや変形に耐える能力を実証した。

添加剤アルミニウム合金の微細構造(画像提供:ORNL)
自動車、航空宇宙、防衛、宇宙の用途では、適切に機能する材料は多くの場合、高圧と高温に耐える必要があります。 ORNL が開発したものはアルミニウム、セリウム、その他の金属で作られており、レーザー粉末ベッドシステムを使用して印刷されます。このシステムは、正確な結果を得るために、材料を一度に 1 つの薄い層に堆積します。研究者たちはこの合金で作られたピストンを印刷し、実物大のエンジンに使用した。プリントされたピストンは、4気筒ターボチャージャー付きエンジンで追加テストを受ける予定です。

添加剤アルミニウム合金の微細構造(画像提供:ORNL)
「粉末床 3D 印刷の使用により、合金は微細構造内で微細で安定した強化粒子に急速に固化することができ、その結果、私たちが測定した驚くべき高温クリープ抵抗が実現しました」と、ORNL のメンバーであるライアン・デホフ博士は述べています。「大幅な改善が見られると予想していましたが、それでもこの合金が示した強度と安定性には驚きました。」

研究の背景は次のとおりです。

積層造形 (AM) を採用することで、より広い形状の柔軟性と設計空間を備えた部品を製造できるようになり、従来の製造技術では不可能だった複雑な冷却チャネル、グリッド形状、複雑なニアネットシェイプ部品の製造が可能になります。具体的には、アルミニウム合金では、AM を使用することで、航空宇宙や自動車用途の構造部品の重量を軽減できます。しかし、従来の高強度鍛造アルミニウム合金は凝固割れが発生しやすいため、AM の複雑な熱サイクルには適していません。

たとえば、7075 や 2024 などの合金組成の AM では、凝固割れにより処理に大きな制限が生じます。立方体などの単純な部品では、処理パラメータを慎重に設計することで凝固割れを軽減できますが、最適化されたパラメータが必ずしも複雑な部品に適用できるとは限りません。

従来の合金の加工が困難であったため、アルミニウム添加剤業界では、近共晶 Al-Si、より具体的には Al-10Si-Mg 合金が広く採用されるようになりました。これらの合金は優れた鋳造性と凝固割れ耐性を示しますが、従来の鍛造合金よりも強度がはるかに低く、高温での強度保持も不十分です。

従来の鍛造アルミニウム合金の積層造形プロセスで発生する上記の問題と、アルミニウム - シリコン合金の性能の限界により、積層造形専用に設計された新しいアルミニウム合金の研究が始まりました。中でもAl-Ce系は、その高い熱安定性と鋳造凝固割れに対する耐性から注目を集めています。

ORNL、アルミニウム合金 3D プリント、エンジン

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