粉末材料と金属3Dプリント技術の発展との関係について簡単に説明します。

この投稿は warrior bear によって 2021-5-16 21:31 に最後に編集されました。

金属 3D 印刷技術は、その誕生以来、粉末材料と切っても切れない関係にあります。金属粉末は「礎」として、金属 3D 印刷技術の成否を大きく左右すると言えます (ただし、最終的な品質は印刷装置やプロセスなどの要因によっても左右されます)。したがって、金属 3D プリント技術の将来の発展見通しも材料自体と密接に関係しており、金属積層造形が主流の製造方法に定着するには、積層造形の材料科学分野を改善する必要があります。幸いなことに、Antarctic Bear は、すでに多くの企業が材料技術の進歩に尽力していることを知り、関連する肯定的な結果も見てきました。
そのような企業の一つが、金属加工業界のリーダーである Allegheny Technologies Inc. (ATI) です。ピッツバーグに本拠を置く同社は、特殊材料を開発し、顧客の要件に合わせてそれらを成形しています。 ATI は主に金属部品を 3D プリントする企業に原材料を供給するサプライヤーとして機能していますが、2018 年にコネチカット州に拠点を置く Addaero Manufacturing を買収したことで、顧客向けの金属部品のプリントも行っています。Addaero Manufacturing は現在、主に航空宇宙および防衛産業向けの金属部品を製造する付加製造業者として事業を展開しています。
特殊金属開発企業 Allegheny Technologies は、金属 3D プリントで使用される粉末の改良に注力しています。画像提供：ATI
ATI の 3D プリンティングのビジョンは、顧客の基準を満たす製品を作成することです。 ATI の積層造形担当ディレクター、ブライアン・モリソン氏は次のように語っています。「当社は戦略を策定し、航空宇宙および防衛分野での成長を支える重要な顧客基盤と共同投資してきました。お客様は積層造形用の材料技術の提供を当社に頼っており、当社は最終部品製造のパートナーとしても機能しています。」同社の完全に統合された AM サプライチェーンには、部品の仕上げのステップも含まれていることを述べなければなりません。
モリソン氏によると、3D プリントはさまざまな複雑な方法で設計を操作できるため、ATI の航空宇宙および防衛業界の顧客にとって魅力的だという。 1 つは、従来の方法では製造が困難または不可能な複雑な部品の製造を容易にすることです。彼はかつてこう言いました。「AM テクノロジーを使用することで、お客様は既成概念にとらわれずに考え、より優れた性能を持つ部品を自由に設計できるようになります。」
あるいは、3D プリントでは、従来の製造方法では非常に製造が困難な複雑な組成の合金も使用できるようになります。一例として、ATI が製造するチタンアルミナイドと呼ばれるマスター合金があります。「鍛造や機械加工など、従来の方法では作るのが非常に難しい」とモリソン氏は言う。「しかし、積層造形には非常に適しており、今では航空宇宙グレードの部品を生産できるようになった」
合金の進歩
材料科学の最近の進歩により、金属付加製造に携わる人々に、より多くの、より良い選択肢が提供されています。モリソン氏は、金属積層造形技術は本質的にはマイクロ溶接プロセスであると考えているが、従来の合金の中には溶接が非常に難しいものもある。そこで ATI はこれらの合金に小さな変更を加え、溶接性を改善しました。
たとえば、同社が製造する高温ニッケルベースの合金の中には、合金含有量が高く、印刷された部品に微小な亀裂を引き起こす可能性があるものがあります。このような亀裂は、材料が急速に冷却されると悪化し、高い残留応力が生じます。マイクロクラックに対抗するため、ATI はニッケル合金内の炭素およびその他の元素のレベルにわずかな変更を加えました。これらの調整と、それに応じた 3D プリントパラメータの変更を組み合わせることで、高性能で欠陥の少ない部品が製造されました。
3D プリント用の金属粉末に関しては、ATI の積層造形担当シニアディレクターであり、Addaero Manufacturing の創設者兼元社長である Richard Merlino 氏は次のように付け加えています。「材料科学の次のフロンティアは、元の配合に戻り、従来の製品形態では人気がないかもしれないが、溶接性が良好で残留応力が低いなどの特性があるため積層造形に適している既存の合金に注目することです。」
その一例が、NASA が最初に開発した銅合金である GRCop という素材です。モリソン氏はこの合金を、ロケットのノズルや燃焼部品などの宇宙関連プロジェクトで使用するための、耐熱性を備えた導電性材料であると説明した。現在、GRCop 合金は、いくつかの宇宙用途の試作品部品の印刷にも使用されていると彼は語った。
ATI は特殊材料の製造に加えて、高性能の航空宇宙および防衛部品の印刷も行っています。写真は同社のGE Additive Arcam EBM Q20 AMマシンの1つです。
さらに、AM に適した新しい合金の開発も優先事項です。メルリーノ氏は、同社が3Dプリントで主に使用されている従来のチタン合金TC4に比べて大きな可能性を秘めた新しいチタン合金の開発に取り組んでいると語った。
彼は次のように説明しています。「レーザー添加ベースのデバイスでは、TC4 に蓄積された残留応力が印刷プロセス中に変形を引き起こし、製造できる製品の範囲が制限されます。対照的に、開発中の ATI 合金は、印刷プロセス中の残留応力が低く、強度と耐熱性も高くなっています。これにより、TC4 材料では構築できない複雑な構造をチタンで構築できます。」
さらに、モリソン氏は、3D 印刷プロセスでうまく機能し、現在 AM に使用されている「主力」アルミニウム合金である AlSi10Mg よりも優れた特性を備えたアルミニウム合金の開発が進んでいることを指摘しました。 AlSi10Mg は、印刷は良好だが強度や延性の点ではあまり優れていない低品質の鋳造合金であると説明しています。その結果、現在市場に出回っている先進的なアルミニウム合金よりも、設計上の妥協を余儀なくされることになります。彼は、これらの合金は AlSi10Mg よりもはるかに優れた性能を発揮するが、印刷はうまくいかないと考えています。そのため、人々はこの問題に取り組んでおり、進歩を遂げています。
材料コストの優位性
メリノ氏によると、金属 AM を主要な製造技術にするための取り組みにおいて避けられない要素の 1 つは金属粉末のコストである。メリノ氏は自身が設立し、ATI が買収した製造工場を今も運営している。「一般的に、これに関するフィードバックはあまりありません」とメルリーノ氏は言います。「理由の 1 つは、材料の価格が長年にわたって下がってきたことです。また、3D プリントは従来の製造方法よりも材料を有効活用します。機械加工できる非常に複雑な構造があるとします。20 ポンドの材料ブロックから始めて、最終的に 1 ポンドの部品に仕上げることもできます。これは珍しいことではありません。特に航空宇宙や防衛の分野ではそうです。したがって、従来の製品形態で材料を購入することで節約できたであろうコストは無駄になります。」
「機械加工とは異なり、AM では、部品をほぼ正確な形状に印刷するため、ジョブに購入した粉末のほぼ 100% が利用され、残った粉末は次の部品に使用されます。廃棄されるのはごくわずかです」とモリソン氏は言います。
チタン合金粉末で3Dプリントしたネスティング
大量生産の課題
金属 3D プリント分野の他の企業と同様に、ATI の金属 3D プリント作業は、少量の部品生産業務になる傾向があります。 3D プリンティングが大量生産へと飛躍するには、いくつかのことが起こる必要があります。
まず、メルリーノ氏は次のように述べました。「エンジニアは、積層造形用の製品をより上手に設計できなければなりません。例外はあるものの、人々は必ずしもこの技術を活用するための設計方法を知っているわけではありません。これは時間の経過とともに変わる必要があり、大学の学生やトレーニングプログラムによって推進されるでしょう。」
さらに、金属 3D プリンターの生産性を向上させる必要があります。メルリーノは、技術が向上し、立方インチあたりの製造時間が短縮されていることを認識していましたが、それでも機械は鋳造と競争できるほど速くないと考えていました。
オペレーターは、後処理中に 3D プリントされた部品から粉末を取り除きます。
金属3Dプリントにおける材料関連の進歩について、モリソン氏は、ATIは生産能力の向上とコスト削減のために粉末噴霧プロセスの改善に取り組んでいると述べた。目標の 1 つは、非常に薄い層に堆積されたときに粉末がよりよく広がるようにすることです。
では、金属 3D プリントは今後も少量生産の有効な選択肢であり続けるのでしょうか?メルリーノはそうは思わない。彼は、この技術が最終的には、他の方法では事実上製造不可能な非常に複雑な部品の大量生産という、新たな利益の出る市場を切り開く準備が整うと信じている。このような部品の場合、性能上の利点から、大量生産に付加製造技術を使用するのは妥当であり、このような応用事例はますます一般的になるだろうと彼は述べた。
ATI は最近、ノースカロライナ州モンローに初の超合金粉末生産施設を開設しました。

粉末材料と金属3Dプリント技術の発展との関係について簡単に説明します。

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