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金属3Dプリンタによる傾斜多孔質構造

June, 19, 2025, Aachen--金属部品を後で穴を開けたり、フィルタを装備したりせずに、どのように透過性にするのか。Fraunhofer ILTレーザ技術研究所の研究者は、金属材料を局所的に透過性または高密度にするだけでなく、状態間の段階的な遷移を伴うだけでなく、製造、再現性、再現性、および単一の生産ステップで金属材料を添加的かつ正確に処理するために使用できる方法を開発した。

今回開発した方法は、金属粉末を層状に塗布し、レーザを用いて選択的に再溶融するLPBF(Laser Powder Bed Fusion)プロセスに基づいている。これまでは、可能な限り高密度で弾力性のあるコンポーネントの製造に重点が置かれてきた。「しかし、例えばプロセスパラメータを変更するなどして、局所的な空隙率を許容すれば、制御された透過性を作り出すことができる」と、FraunhoferILTのLPBFプロセスおよびシステムエンジニアリンググループのAndreas Vogelpothは説明している。

その結果、気体や液体など、局所的に透過性を持つ完全に金属部品ができあがり、必要な機械的完全性を維持する。その秘訣は、LPBFのおかげで、密度の異なる領域を1つのコンポーネント内で組み合わせることができることである。研究所は、鋭い分離または段階的な移行を行うことができる。

後処理の代わりの機能
従来の金属フォームやファブリック構造も同様の機能を果たすが、通常は個別に製造してコンポーネントに組み込む必要がある。これには時間がかかるだけでなく、設計の自由度が制限され、継ぎ目や接合部によるコンポーネントの物理的特性の変化(熱抵抗や電気抵抗の増加など)につながる。Fraunhoferのソリューションは、多孔質ゾーンをコンポーネントに直接統合する。したがって、後処理は不要である。内部構造を持つ複雑な幾何学的形状でさえ、この方法で作ることができる。

「われわれは、3Dプリンティングで作られた部品に新しい機能を追加している。それは、設計可能な特徴としての透過性である」(Vogelpoth)。
このプロセスは、ガスや液体を制御された方法で分配、ろ過、またはチャネルする必要がある場合に特に興味深いものである。

主なアプリケーションは、特に電解槽向けの水素技術。これらは、様々な機能層を持つ複雑なセルスタックで構成されている。FraunhoferILTは現在、これらの層を特定の透過性領域を含めて直接積層造形できるかどうかを調査している。FraunhoferILTの専門家は、個々の部品の数を減らし、効率を向上させながら、材料使用量と生産コストを削減することを目指している。

FraunhoferILTチームは、ターボ機械、工具製造、熱交換器、フィルタ、化学薬品など、他のアプリケーション分野のエンドユーザともすでに接触している。幅広いアプリケーションの可能性は、この開発がハイテクアプリケーションにとっていかに関連性が高いかを強調している。

多孔質領域は確実に再現でき、研究者はすでにコンピュータ断層撮影と断面を使用してそれを実証している。研究チームは現在、研究プロジェクトの一環した次のステップとして、プロセスパラメータによる透過性の正確な制御に取り組んでいる。

「われわれの計画は、ユーザがどのコンポーネント領域にどの程度の透過性が必要かを教えてもらうことだ。そして、適切な設計とプロセスパラメータを提供する」(Vogelpoth)。

ターボ機械製造における同様のプロセスをすでに調査している他のプレーヤーとは対照的に、FraunhoferILTはオープンでクロスアプリケーションなアプローチを追求している。これは、新しいアプリケーション分野、特に以前はこのような複雑な製造方法にアクセスできなかった中小企業にとって、このプロセスを利用できるようにすることを目的としている。

研究者は積極的に交流を求めている。