高粘度金属スラリー3Dプリント技術、マントル焼結収縮は10％未満

はじめに: 金属 3D プリントの分野では、SLM、SLS、EBM などの粉末ベースの成形プロセスはよく知られていますが、業界における金属スラリープリントの研究は比較的ニッチです。以前の記事でも、Antarctic Bearは金属3Dスラリー印刷に関するいくつかの事例をまとめました（詳細は関連レポートを参照：古いボトルに新しいワイン？金属スラリー直接書き込み3D印刷技術の研究状況を分析）が、そのほとんどは大学の実験室での研究が中心であり、このタイプの印刷プロセスの応用事例は市場で一般的ではありません。

最近、アンタークティック・ベアは、外国の新興3Dプリント企業であるマントルが、金属スラリープリントを研究の方向性として選択したことを知りました。同社の共同設立者で最高科学責任者のスティーブ・コナー博士は、同社が金属3Dプリンターの材料として、他のほぼすべての金属3Dプリンターメーカーが使用するフィラメント、粉末、液体ではなく、スラリーを使用する技術的な理由を詳しく説明しました。 Antarctic Bear は、学ぶ価値のあることがたくさんあると信じており、特に関連情報をまとめて皆様と共有しています。
△高粘度金属スラリー3Dプリント技術を用いた部品

技術原理

Mantle の TrueShape™ テクノロジーは、従来の製造方法に比べてわずかな時間とコストで、CAD ファイルから精密金属部品を印刷、成形、焼結します。

△全体的な技術プロセスは、印刷→切断→焼結の3つのステップに分かれています。まず、Mantle の流動性金属ペースト材料が、精密な位置決めシステムと押し出しベースのプリントヘッドを使用して部品の形状に印刷されます。同時に、ツールを使用して堆積層を高速で切断し、部品の表面仕上げと詳細を改善します。最後に、高温の炉で部品を融点よりわずかに低い温度まで加熱し、高密度の固体金属部品に溶かします。
△金属3Dプリントペースト材料、出典：Mantle
マントルは3Dプリント分野の新興企業として、最近になってようやく世間の注目を集めるようになった。これは同社が関連製品の展示会をあまり開催していないことに関係している。 Mantle の市場ポジショニングは工業用金属ツールであると理解されており、同社が立ち上げたシステム全体と金属 3D 印刷プロセスもこの市場に合わせて設計されています。
つまり、マントルのプロセスは、スラリー押出機を使用して金属スラリーを正確に堆積させ、ビレット形成の効果を実現することを特徴としています。次に、堆積したグリーンボディを加熱してバインダーを除去し、金属粒子を焼結し、続いて CNC ミリング処理を行って表面を滑らかにします。このプロセスは、オブジェクトが構築されるまで層ごとに繰り返されます。
金属3Dプリント材料：高粘度スラリー
Mantle は、技術から始めて市場を探すというモデルに従わなかった点で、ほとんどの 3D プリンターメーカーとは異なります。代わりに、彼らはまず市場を選択し、それに応じて技術的な問題に対処しました。 △スラリー金属3Dプリント技術は、MIM、SLM、バインダージェッティングなどの他の3Dプリント技術材料に比べて利点があります。出典：Mantle
TrueShape™ プロセスの基盤は、独自の流動性金属ペースト (FMP) 材料ファミリーです。印刷プロセス中の安全性と一貫性を確保するために、液体に金属粒子が追加されます。スラリー内の粒子の種類とサイズを変えることで、焼結中の寸法変化を最小限に抑え、材料処理を最適化して部品の最高の性能を得ることができます。
マントルの現在の資料には以下が含まれます。

P2X 素材は、一般的な P20 工具鋼に似ていますが、耐腐食性と耐摩耗性が向上しています。
H13 材料は、標準の H13 工具鋼と同様に、ロックウェル硬度 50 以上に硬化できます。

特別に配合された高硬度鋼を液体バインダーと混合して金属スラリーを形成します。

金属 3D プリントは現在、広く使用されている技術であり、複数のサプライヤーから製品が提供されています。ほとんどのメーカーは、移動する高エネルギー熱源を使用して粉末を層ごとに選択的に溶融する粉末床溶融（PBF）プロセスの使用を選択します。その他の金属成形プロセスには、液体金属ナノ粒子 (Xjet など) を使用した印刷や高純度金属ワイヤ (同軸ワイヤレーザー溶接など) などがあります。

これらのプロセスは効果的であり、多くの企業で成功裏に使用されてきましたが、それぞれに課題があります。一部のプロセスでは精度の低い部品しか製造できず、他のプロセスでは強度の低いワークピースしか製造できません。さらに、動作中の汚染や不純物などを防ぐために複雑な装置環境を必要とするものもあり、そのほとんどは製造コストがかなり高くなります。
Mantle はこれらすべてのプロセスとその他のプロセスを評価しましたが、最終的に材料の種類としてスラリーを選択しました。これは金属 3D プリント業界では非常に珍しいことだと理解されています。
「単一金属粉末」を使用した印刷には多くの課題があります。 PBF は確かに効果的ですが、実現は困難です。まず第一に、コストが高いことが最大の懸念事項です。もちろん、航空産業や軍事産業など、コストが問題にならない分野では話は別です。これは、マントルが粉末成形法を断念した理由でもあります。彼らのターゲット市場は航空業界とは異なり、このプロセスのコストを負担できない可能性があるためです。
マントルは、液体金属インク印刷に共通する問題にも遭遇しました。液体インクは堆積ノズルまで容易に流れるものの、堆積後は制御が難しいため、より粘度の高いスラリー印刷の使用を検討するようになりました。
コナー氏はスラリー材料の利点について次のように説明しています。「さまざまな材料をテストした結果、流動性のある金属スラリーが当社のコアニーズに最も適していると感じました。その理由はいくつかあります。まず、さまざまな温度で粘度を調整できる多成分スラリーを使用することで、非常に正確に印刷し、押し出し後の隙間を埋めながら、厚い部品が崩れたり流れ出たりすることを防ぐことができます。また、これにより高い印刷密度も実現できるため、優れた表面仕上げと高い機械的特性を持つ部品を得ることができます。次に、スラリーは他の原材料の取り扱いや保管の問題を簡素化し、保存期間も長くなります。3つ目に、スラリーは焼結プロセス中に収縮率が8～10%と低いため、ツールメーカーの精度要件を満たすのに役立ちます。4つ目に、スラリーを使用すると、プリンターの機械設計も簡素化されます。必要なノズルは数百、数千ではなく1つだけなので、コストが削減され、メンテナンスも簡素化されます。」
Antarctic Bear は、高粘度金属スラリー印刷の収縮率が低いことも、Mantle がこのプロセスを試用することを選択した重要な理由の 1 つであると考えています。結局のところ、収縮率はわずか 8 ～ 10% だと主張しています。他のスラリーシステムと同様に、剥離および焼結中の部品の収縮は 20% にも達することがあります。したがって、マントルには、焼結後の形状に大きな影響を与えずに、成形体の強度を良好に維持し、簡単に取り外すことができる特定の充填システムが必要です。そうでなければ、このレベルの精度を確実に達成することはできなかったでしょう。しかし、今のところこの問題を解決したか、少なくとも収縮を減らすという問題は最小限に抑えられたようです。
スラリー材料の多くの利点について聞いた後、他の人もスラリー材料の使用を検討するでしょうか?実際、中国にはすでに長沙マーキュリーチームや深セン昇華3Dなど、関連する試みを行っており、良い成果を上げている先駆者たちがいます。おそらく将来的には、かなり高価な PBF 粉末床金属 3D 印刷システムを、より安価な材料を使用した付加的なプロセスに置き換えることがますます魅力的になるかもしれません。
応用分野<br /> Antarctic Bear は、Mantle が 450 億ドル規模の金型およびツール業界をターゲットにしていること、そして TrueShape プリンターには、生産時間の短縮、コストの削減、成形サイクルを短縮するコンフォーマル冷却チャネルを作成できるという 3 つの主な利点があることを知りました。

インサートなどの最も複雑な金型コンポーネントを印刷するためによく使用されます。これらのインサートは、通常、金型の中で最も高価で時間のかかる部分であり、Mantle が最も価値を付加できる部分です。もちろん、金型には、モールドベース、ランナー、エジェクタピンなどの他の部品があり、通常は従来の方法に従って製造されます。次に、3D プリントされたインサートを金型ベースの残りの部分と組み立てて、金型全体を形成します。