レーザを使用して3Dプリントされた鋼を「加熱して叩く」ことで、コスト削減

January, 29, 2024, Cambridge--ケンブリッジ大学を含む研究チームは、コストを削減し、資源をより効率的に利用するのに役立つ、金属を3Dプリントする新しい方法を開発した。

この方法は、金属3Dプリンティングのコスト削減に役立ち、さらに金属製造業界の持続可能性を向上させる可能性がある。

ケンブリッジ大学が率いる研究チームによって開発されたこの方法により、3Dプリンティング中に構造改質を金属合金に「プログラム」し、何千年もの間使用されてきた「加熱・叩解」プロセスなしで特性を微調整することが可能になる。

新しい3Dプリンティング法は、3Dプリンティングが可能にする複雑な形状と、従来の方法で可能だった金属の構造と特性をエンジニアリングする能力という、両方の長所を兼ね備えている。研究成果は、Nature Communications に掲載されている。

3Dプリンティングには、他の製造方法に比べていくつかの利点がある。たとえば、3Dプリンティングを使用すると、複雑な形状を製造するのがはるかに簡単で、従来の金属製造法よりも著しく少ない材料を使用するため、より効率的なプロセスになる。ただし、重大な欠点もある。

「3Dプリンティングは多くの可能性を秘めているが、産業界ではまだ広く使用されていない。主に製造コストが高いためである。これらのコストの主な要因の1つは、製造後に材料に必要な調整量である」と、研究を主導したケンブリッジ大学工学部のDr Matteo Seitaは説明している。

青銅器時代から、金属部品は加熱して叩く工程を経て作られてきた。材料をハンマーで硬化させ、火で柔らかくするこのアプローチにより、製造業者は金属を目的の形状に成形すると同時に、柔軟性や強度などの物理的特性を付与することができる。

「加熱・叩解が効果的なのは、素材の内部構造を変化させ、その特性をコントロールできるからである」 (Seita)。

現在の3Dプリンティング技術の大きな欠点の1つは、内部構造を同じ方法で制御できないことである。そのため、多くのポストプロダクションの変更が必要になる。「われわれは、加熱や叩解を必要とせずに構造エンジニアリング能力の一部を回復させる方法を考え出そうとしている。そうすれば、コスト削減に役立つ。金属に必要な特性を制御できれば、3Dプリンティングのより環境に優しい側面を活用できる」(Seita)。

シンガポール、スイス、フィンランド、オーストラリアの研究者と協力して、Seitaは、レーザで溶かされる材料の内部構造を高度に制御できる、3Dプリントされた金属の新しい「レシピ」を開発した。

溶融後の材料の凝固方法と、プロセス中に発生する熱量を制御することで、研究者は最終材料の特性をプログラムできる。通常、金属は丈夫でタフになるように設計されているため、構造アプリケーションに安全に使用できる。3Dプリントされた金属は本質的に頑丈だが、脆くもある。

研究チームが開発した戦略は、強度と靭性の両方を完全に制御する。これは、3Dプリントされた金属部品を比較的低い温度の炉に入れ、微細構造の制御された再構成をトリガーすることによる。チームの方法は、従来のレーザベースの3Dプリンティング技術を使用しているが、プロセスに少し手を加えている。

「レーザは、3Dプリント中に金属を硬化させるための『微細なハンマー』として使用できることがわかった。しかし、同じレーザで2回目の金属を溶かすと、金属の構造が緩和され、部品を炉に入れるときに構造の再構成が可能になる」(Seita)。

理論的に設計され、実験的に検証された3Dプリントされた鋼は、丈夫な材料と強靭な材料を交互に使用して作られており、その性能は加熱と叩解によって作られた鋼に匹敵する。

「この手法は、金属3Dプリンティングのコスト削減に役立ち、したがって金属製造業界の持続可能性を向上させることができると考えている。近い将来、炉内の低温処理を省略して、エンジニアリング用途で3Dプリント部品を使用する前に必要なステップ数をさらに削減できるようにしたいと考えている」(Seita)。