FFF溶融フィラメント押出技術を使用した純銅部品の3Dプリント

出典: 3Dプリンティング技術リファレンス

TIWARI Scientific Instruments (TSI) は、熱材料測定および試験システム、ならびに金属およびセラミックの積層造形技術に重点を置いたドイツの機器指向の新興企業であり、欧州宇宙機関 (ESA) にサービスを提供しています。同社が開発した溶融フィラメントFFF 3Dプリントプロセスでは、フィラメントに金属またはセラミック粒子を追加して最終的に金属またはセラミック部品を得ることができるため、宇宙用途の製造機能を提供します。

このプロセスを使用して製造されたステンレス鋼、チタン、アルミナ、シリコンカーバイドの部品は、ESA の材料および電気部品研究所で包括的な非破壊および破壊テストを受け、宇宙での使用における付加価値と適合性が評価されています。驚くべきことに、これらの 3D プリント部品は、従来の方法で製造された部品に比べて優れた機械的特性を備えており、ステンレス鋼はこれまでは達成できなかった 100% まで破損することなく伸長することができます。

△3Dプリントシリコンカーバイドフィルター ESAインキュベーターとして、TSIは材料の熱的および機械的特性に重点を置いています。純銅の 3D プリントは、その高い熱伝導性により常に大きな注目を集めており、TSI は低コストの 3D プリントソリューションを発売したいと考えています。最近、同社はFFF技術を用いて高密度、複雑な構造の無酸素純銅ヒートシンクの印刷に成功しました。

純銅を粉末やフィラメントに加工するのは困難です。現在、純銅の3Dプリントプロセスは数多く存在しますが、そのほとんどは孤立したケースであり、各プロセスに取り組んでいる企業はごくわずかです。緑色レーザーによる印刷は、現在の粉末床技術における重要な進歩ですが、3D 印刷に適した緑色レーザーは非常に少なく、TRUMPF が発売した製品は現在個別に販売されていません。要求の厳しいアプリケーションの場合、SLM を使用して印刷された部品には、部品の構成と特性に影響を及ぼす可能性のある追加の機械加工と後処理が必要になる場合があります。

△nTopologyを使用して設計され、TSI溶融フィラメントで3Dプリントされた純銅熱交換器△TCT展示会でのTrumpfの純銅品質評価サンプルはFFF技術を使用しています。印刷された部品の層の厚さは50μmに設定されています。層の厚さによって生じる粗さは、焼結プロセス中の収縮により減少します。部品は未焼結状態で手作業で研磨または機械加工できるため、脱脂および焼結前の後処理コストを削減できます。 TSI の技術を使用することで、金属およびセラミック部品の密度は 99% を超えることができます。

押し出し技術を使用して金属部品を 3D プリントする海外企業としては現在 Desktop Metal や Markforged などが有名で、国内企業としては Sublimation 3D、Shanghai Fuzhi、Zongwei Cube などが挙げられます。 DMの機器は発売されてから何年も経っていますが、アップグレードや応用面ではあまりニュースがないようです。国内メーカーの技術は大体似ています。材料に関しては、外国企業は主に独自に材料を生産できるのに対し、国内企業は主に第三者の材料を使用しています。

△nTopologyが設計し、TSI溶融フィラメントで3Dプリントした純銅熱交換器

熱交換器の冷却効果シミュレーション

通常、金属線のバインダー含有量は高く、体積比で約 40% を占めます。 TCT 3Dプリント展示会で、上海富志は自社の押し出しベースの金属3Dプリンターを実演し、プリンターの横に設置された脱バインダー炉が非常に目立っていました。Sublimation 3Dも公式ウェブサイトで脱バインダー炉を展示しました。また、Exoneなどの企業のバインダージェット技術は、別の脱バインダーステップなしで、1つのステップで脱バインダーと焼結を完了します。

△昇華3D脱脂炉△Markforged金属3Dプリント部品海外の研究者はExoneの設備を使用して純銅材料を研究しましたが、準備された材料の密度などの特性は高くなく、緻密化を達成するには熱間静水圧プレス処理が必要です（焼結密度が90％を超える場合にのみ必要です）。同時に、粉末の粒度分布、インクの組成などはすべて部品の性能に影響を与える重要な要素であることもわかりました。今年 2 月、Digital Metal は純銅 3D プリント材料の発売を発表し、バインダージェッティング 3D プリントシステム向けに公式に認定された純銅材料とプロセスを提供する初の機器メーカーとなりました。同社が発表したデータによると、バインダージェッティング技術で形成された純銅の密度は96.6％、銅の純度は99.9％である。ただし、同社の後処理工程に熱間等方圧プレスも含まれるかどうかは不明である。

DLP純銅3Dプリント技術に関しては、外資系企業Holoは高解像度の光学イメージャーを使用して、純銅粉末と感光性樹脂を混合したスラリーを3Dプリントします。また、非常に成熟した金属射出成形（MIM）バックエンドプロセスを組み合わせて、プリントされたグリーンボディを脱脂および焼結し、最終的に高性能部品を製造します。 Holo 社は樹脂マトリックスの組成も最適化しました。これは、特定の化学物質が焼結部品の機械的または化学的特性に影響を及ぼす可能性がある金属射出成形で使用されるワックスベースの材料とは異なります。 Holo 社は、同社のスラリーは優れた分散性を備えているため、印刷中に層の厚さを均一にすることができ、プリンターは 10 秒以内に新しい層を硬化させることができると主張しています。現在、Holo が DLP+ 脱脂および焼結プロセスで形成した純銅の平均密度は 96 ～ 98% であり、バルク銅の 95% の熱伝導率と電気伝導率を達成するのに十分です。さらに、このプロセスにより、レーザー印刷によって生じるひび割れの問題も軽減される可能性があります。

純銅 3D プリント技術の開発は、主に熱伝導性と電気伝導性を中心に展開されています。銅の導電性は純度に直接関係しており、汚染物質、特に鉄は最終的な性能に影響を与えます。実際、純銅を直接溶かして形成できるレーザーと電子ビームを除いて、DLP、FFF、3DPなどのプロセスでは、脱脂と焼結のプロセスを排除することはできません。近年人気が高まっている新しいタイプの金属 3D プリントでは、3D プリント後の手順にさらに注意を払う必要があります。

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