テクノロジーと産業の衝突！金属3Dプリント技術が量産車に利用される

出典：中国粉体ネットワークフォルクスワーゲンは3Dプリント技術の大量生産と応用を継続的に推進しており、画期的な進歩を遂げており、間もなくドイツのヴォルフスブルク工場で初めて車両部品の製造を開始する予定です。フォルクスワーゲンが採用している3Dプリント技術では、レーザーを使用して金属粉末から部品を層ごとに積み重ねます。十分な強度を得るために、金属部品は加熱されて成形されます。
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3Dプリント技術は、積層造形（AM）技術とも呼ばれ、産業分野で強力な柔軟性と高い設計・製造の自由度を示しており、航空宇宙、国防、医療分野の安全性、信頼性、個別化のニーズを満たすことができ、これらの分野で広く研究され、応用されています。
1 金属3Dプリントの主な技術
3Dプリント技術は、レーザー、電子ビーム、電気アークなどの高エネルギー熱源を使用して、レイヤリングソフトウェアによって設定されたパスに従って、原材料を層ごとに溶かして堆積させ、統合された複雑な構造部品を作成します。これは、「ゼロから」材料を追加して形成するプロセスです。
現在、一般的に使用されている金属 3D 印刷技術には、選択的レーザー溶融法 (SLM)、直接金属レーザー焼結法 (DMLS)、電子ビーム選択溶融法 (EBM)、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM)、レーザー溶融堆積法 (LDMD) などがあります。さまざまな 3D 印刷プロセスの原理は似ており、主に、コンポーネントの迅速なプロトタイピングを実現するための粉末ベッド敷設と同軸粉末/ワイヤ供給の 2 つのモードに基づいています。
1.1 選択的レーザー溶融法（SLM）
金属積層造形において、SLM は最も一般的に使用されている技術の 1 つです。これは 1995 年にドイツのフラウンホーファー研究所によって提案されたもので、レーザー選択溶融法を使用して金属材料を印刷します。図 1 は、その技術原理の概略図です。 SLM技術のレーザーエネルギー密度は非常に高く、バインダーを必要とせずレーザーで粉末を直接溶融することができ、高い成形性能を備えています。 SLM 技術を使用して製造された部品は、密度が非常に高く、機械的特性も優れているため、実際のエンジニアリングアプリケーションに非常に適しています。

1.2 電子ビーム溶解法（EBM）
EBM 技術の技術原理は、真空環境で電子ビーム溶接技術を使用して金属粉末材料を溶かし、設定された経路に沿って層ごとに積み重ねて金属部品を形成することです。 EBM 技術は、複雑な構造と高純度の金属部品を成形するために使用できますが、その成形サイズは粉末環境と旋盤によって制限されます。装置の概略図を図2に示します。

1.3 レーザー溶融堆積法（LDMD）
LDMD 技術はレーザークラッディング技術とも呼ばれ、1960 年代に提案されました。高エネルギーレーザーを使用して 2 つの金属材料の表面層の間にクラッディング層を形成し、その後急速に凝固させて優れた性能のコーティング層を得ます。しかし、プロセスや残留応力の影響により、クラッド層に欠陥が生じることが多く、成形精度やコストの面でまだ不十分です。技術的な概略図を図3に示します。

2 国内外の既存の金属3Dプリント材料
3D プリントで使用される金属材料の化学組成には、主要な金属元素と不純物成分が含まれます。一般的に使用される主要な金属元素は、Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr と貴金属の Ag、Au などです。さまざまな金属 3D 印刷技術は、さまざまな印刷材料に対応します。
2.1 金属 3D プリントフィラメント<br /> 金属 3D プリント用のフィラメントは、主にステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどの材料に集中しています。銅、金、ニッケルなどの他の金属 3D プリント材料は、研究開発の試験段階にあります。主な欠点は、性能が単一で価格が高いことです。
金属印刷フィラメントは、エネルギービームとして電気アークを使用し、高い熱入力を持つ電気アーク積層造形法 (WAAM) を使用して作成できます。これは、大規模で複雑なコンポーネントに適しており、層状のスキャンとサーフェシングを通じてチタン合金やアルミニウム合金などの金属コンポーネントを製造するために使用できます。 TIGアーク積層造形技術は、タングステン不活性ガスアーク溶接法を基礎として改良された技術です。主な研究対象は、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス鋼です。MIGアーク積層造形技術は、主に直接溶融法で表面処理を行います。この技術のほとんどは、その成形プロセスと機械的特性を研究しており、主な研究対象はアルミニウム合金とチタン合金です。
2.2 金属 3D プリント用粉末<br /> 金属線材向けの積層造形技術は単一性があるが、粉末材料の印刷ではより多く開発され、応用されている。例えば、選択的レーザー焼結（SLS）は、レーザーの高温を利用して粉末間の焼結反応を引き起こし、接続する。一般的に使用される金属材料は、主にコーティングされた金属と金属と非金属の複合粉末であり、レーザー選択溶融技術（SLM）は、図4に示すように、ステンレス鋼、アルミニウム合金、チタン合金、ニッケルクロム合金などの粉末印刷材料に使用できる。レーザークラッディング堆積（LCD）技術は、粉末成形材料としてチタン合金、ステンレス鋼粉末、銅合金などの印刷および成形に使用できます。また、WC / Co、TiC、VCなどの硬質金属、Al2O3、TiO2などのセラミック材料の成形にも使用できます。従来の溶接プロセスと比較して、残留熱応力が少ないため、蒸気タービン、ブレード、タービンディスクの損傷の修復によく使用されます。EBM技術は、工具鋼、チタン合金、ニッケル合金、さらには耐火アルミニウム合金などの導電性金属材料に使用できます。直接金属レーザー焼結法 (DMLS) は、摩耗、腐食、浸食を受けたギア、シャフト、ブレード、バルブ、金型などの大型回転機器の重要な部品の修復に使用できます。
図4 SLMで直接印刷された部品画像出典: Welding Journal
金属 3D プリントの 3 つの利点<br /> 従来の技術と比較すると、金属 3D プリント技術には、加工のために余分な材料を取り除くのではなく、材料を層ごとに積み重ねて加工することで材料の無駄を減らす、従来の製造技術では製造できない複雑な形状を製造できる、製造プロセスがシンプルで効率的、パーソナライズされた製品を迅速かつ効率的に製造できる、用途が広いなどの利点があります。
4 今後の課題と動向<br /> 中国市場における金属材料の3Dプリントの受け入れはまだ初期段階にあるため、中国の製造業における3Dプリント技術の普及率は、米国、ドイツなどの国々に比べてはるかに低いのが実情です。従来の高エネルギービーム金属積層造形の問題点は次のとおりです。
画像出典: 屈玄慧教授金属 3D プリンティングは、間違いなく、幅広い応用市場を持つ高性能材料および部品の非常に先進的なグリーン製造技術となっています。金属 3D プリントは現在、従来の製造業を強力に補完するものであり、将来的には製造業における主要な成形技術の 1 つになる可能性があります。新技術の生産効率と製品品質をさらに向上させ、生産コストを削減するための粉末材料設計技術（材料遺伝子工学）とインテリジェント生産技術の開発は、金属3Dプリントの今後の開発焦点です。
参考文献：[1] Chang Kun, et al. 金属材料の積層造形研究の現状と民間航空への応用。Materials Review。2021年。[2] Zhang Zhonglun, et al. 積層造形用金属材料の研究現状。中国建築材料科学技術。2021年、30(1)。[3] Duan Xuanzheng, et al. 国内外の金属3Dプリント材料の現状と開発。溶接。2020年。[4] Qu Xuanhui. 金属近球粉末の低コスト製造と効率的な印刷のための新技術。

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