バイエルン・メタル、3Dプリント用の新しいタングステン合金製造技術の特許を取得

はじめに: タングステン合金は、優れた耐腐食性と高い熱伝導性で知られており、アルミニウム部品の冷間鋳造に最適な選択肢としてよく使用されます。この重金属の密度も非常に高く、19.3 g/cm3 に達します。タングステンは密度が金に匹敵するため、アルファ線やガンマ線を遮蔽するツール製造や医療分野で広く使用されています。
最近、Antarctic Bear は、ドイツに拠点を置く金属加工会社 Bayerische Metallwerke GmbH (Wolfram Industrie の子会社) が、タングステン合金専用の新しい材料製造プロセスを開発し、特許を取得したことを知りました。
このプロセスの特別な点は、粉末状の高濃度タングステン合金混合物（WNiFe および WNiCu）を生成できるため、これらの材料が 3D 印刷およびコーティングプロセスに適したものになることです。同社は、2年間の開発期間を経て、この新しいプロセスがタングステン製のより複雑な部品形状への道を開き、工具製造や3Dプリントによる放射線遮蔽などの用途に新たな選択肢を提供すると考えています。
タングステン合金 - 実用的な「ハードボーン」
バイエリッシェ・メタルヴェルケの研究開発マネージャーであるハニー・ゴブラン博士は、タングステン合金製品について次のように説明しています。「当社のタングステン・ニッケル・鉄合金の特徴は、3Dプリントやコーティング工程の出発製品として適した、合金化済み粉末の形で製造していることです。」
△バイエルン金属社が製造したタングステン合金粉末。画像提供：Bavaria Metal。
ババリア・メタルの研究開発エンジニアであるナビル・グドゥーラ氏は、タングステンは溶融金属による腐食や浸食に対する耐性と優れた熱伝導性を備えているため、アルミ鋳造分野で最適な材料であると語った。さらに、タングステンは密度が非常に高いため、医療の分野で放射線遮蔽用に現在でも広く使用されている有害な鉛金属の代替品としても適しています。
残念ながら、タングステンはすべての化学元素の中で最も高い融点（3400°C）とモース硬度7.5を持ち、機械加工が非常に困難です。そのため、曲線や穴などのより複雑な形状のタングステン部品は、その使いやすさと 3D プリントのしやすさから、熱間工具鋼に簡単に置き換えられることがよくあります。
3D プリント用タングステン合金の製造<br /> バイエルン金属工業（Bayerische Metallwerke）によれば、現在までに市販されているタングステン3Dプリント合金はすべて、比較的高濃度の鉄とニッケルをドーピングして製造されており、通常は事前合金化プロセスは行われていない。これらの金属の融点はタングステンよりも大幅に低いため、粉末床溶融結合などの高温積層造形プロセスでは、これらの金属が制御不能に蒸発してしまうことがよくあります。
新しい Bayerische Metallwerke プロセスでは、処理前に粉末混合物を事前に合金化することでこの問題に対処します。 3 つの元素すべてを個々の粉末粒子内の多相材料として組み合わせることで、最終的な合金の組成と分布を非常に厳密に制御できます。したがって、鉄、ニッケル、銅を失うことなく、金属を高温で処理することができます。
バイエリッシェ・メタルヴェルケ社によると、同社の新しいプロセスでは、目的の用途に応じて、重量で80%～98.5%のタングステン、0.1%～15%のニッケル、0.1%～10%の鉄および/または銅の合金を製造できるという。これらの合金の密度は 17 ～ 18.8 g/cm3 で、アルミニウム鋳造、工具製造、放射線遮蔽におけるタングステンの従来の用途に適しています。補助的な機能として、この特許取得済みのプロセスでは、粉末粒子の流動挙動と粒子サイズを判定できます。

「最終製品中のタングステンの割合が高ければ高いほど、溶融アルミニウムに対する耐性が高まり、熱伝導性も向上します。一方、優れた延性と加工性が重要な役割を果たす場合は、合金中のタングステンの割合もそれに応じて減らすことができます。したがって、組成は常に特定の用途とそれぞれの形状の複雑さに合わせて調整できます」とゴブラン氏は結論付けています。
△バイエリッシェ・メタルヴェルケ社が3Dプリントしたタングステン合金部品。写真提供：バイエルン金属工業株式会社
工業用積層造形用粉末製造<br /> 粉末の製造は AM の上流段階ですが、粉末製造部門が産業用 AM の成功にとって絶対的に重要であることは間違いありません。今年初め、プラズマ噴霧技術の専門企業であるPyrogenesisは、付加製造用のNexGen粉末製造ラインのテストが成功したと発表しました。モントリオールを拠点とする同社は、商業生産を延期するという戦略的決定を下した後、改善を実施することができ、現在は生産ラインのバッチ間の一貫性をテストしている。
一方、カナダの鉱業・金属会社リオ・ティントは最近、水噴霧技術を使った新しい鋼鉄3Dプリント粉末を開発した。高価なガスおよびプラズマ噴霧器のみが工業用グレードの粉末を製造できると広く信じられていますが、リオティント社の新しい鋼粉末は、水噴霧法が 3D プリント粉末を製造するより手頃な方法であることも証明しています。

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