特殊金型：FDM高粘度金属ペースト3D印刷技術

金属3D印刷の分野では、SLM、SLS、EBMなどの粉末ベースの成形プロセスがよく知られていますが、業界では金属ペースト印刷に関する比較的小規模な研究が数多くあります。

2021年7月、南極ベアは、マントルという外国の新興3D印刷会社が研究の方向性として金属ペースト印刷を選択したことを知りました。これは、材料がワイヤー/粒子から金属ペーストに変わったことを除いて、FDM技術と非常に似ています。同社の共同創設者兼最高科学責任者であるスティーブコナー博士は、彼の会社が他のほとんどすべての金属で使用されているフィラメント、フィラメント、その他の材料ではなく、金属3Dプリンターの材料としてペーストを使用している技術的な理由を詳細に説明しました3Dプリンターメーカー。粉末または液体。南極のクマはそこから学ぶべき多くの教訓があると信じており、あなたと共有するためにいくつかの関連情報を特別に編集しました。







△高粘度の金属ペースト3Dプリント技術を使用して製造された金型部品

技術原理

MantleのTrueShapeテクノロジーは、CADファイルから精密な金属部品を印刷、成形、および焼結することができ、従来の製造の数分の1の時間とコストで済みます。



△全体的な技術プロセスは、印刷、切断、焼結の3つのステップに分かれています。まず、マントルの流動性金属ペースト材料が、精密位置決めシステムと押し出しベースのプリントヘッドを使用して部品の形状に印刷されます。同時に、工具を使用して堆積層を高速で切断し、成形品の表面仕上げとディテールを改善します。最後に、高温炉で、部品を融点よりわずかに低い温度に加熱し、溶融して緻密な固体金属部品にします。



△金属3Dプリントペースト素材、出典：マントル

マントルは、3Dプリンティングの分野で新たなスタートアップ企業として、最近ゆっくりと世間の注目を集めています。これは、同社が関連製品の展示会をあまり行っていないためです。 Mantleの市場での位置付けは工業用金属工具であり、システム全体と導入された金属3D印刷プロセスもこの市場を中心に設計されていると理解されています。

要するに、マントルのプロセスは、ブランキングの効果を達成するために、スラリー押出機を使用して金属スラリーを正確に堆積させることを特徴とする。次に、堆積したグリーンボディを加熱してバインダーを除去し、金属粒子を一緒に焼結してから、CNCミリングを実行して表面を滑らかにします。オブジェクトが構築されるまで、このレイヤーをレイヤーごとに繰り返します。

金属3D印刷材料：高粘度ペースト

Mantleは、テクノロジーを開始した後、市場を見つけるというモデルに従わなかったという点で、ほとんどの3Dプリンターメーカーとは異なります。それどころか、彼らは最初に市場を選び、次に技術的な問題をターゲットにしました。



△スラリーメタル3D印刷技術は、MIM、SLM、接着剤噴射などの他の3D印刷技術材料よりも優れています。

TrueShapeプロセスの基本は、一連の独自の流動性金属ペースト（FMP）材料です。印刷プロセス中の安全性と一貫性を確保するために、金属粒子が液体に追加されます。スラリー中のさまざまな粒子タイプとサイズにより、焼結プロセス中の寸法変化を最小限に抑え、材料プロセスを最適化して部品の最高の性能を得ることができます。

マントルには現在、次のような資料があります。

P2X材料は、一般的なP20工具鋼に似ていますが、耐食性と耐摩耗性が高くなっています。

H13材料は、標準のH13工具鋼と同様に、50を超えるロックウェル硬度に硬化させることができます。

特別に調合された高硬度鋼を液体バインダーと混合して金属スラリーを調製します。

金属3D印刷は現在広く使用されている技術であり、多くのサプライヤーが関連製品を提供しています。ほとんどの製造業者は、粉末床溶融（PBF）プロセスを使用することを選択します。原理は、移動する高エネルギー熱源によって粉末が層ごとに選択的に溶融されることです。他の金属成形プロセスには、金属ナノ粒子液体（ジェットXJetなど）および高純度金属ワイヤー（同軸ワイヤーフィードレーザー溶接など）を原料として印刷することも含まれます。





これらのプロセスは確かに効果的であり、多くの企業でうまく使用されていますが、各プロセスには独自の課題があります。精度の低い部品しか製造できないプロセスもあれば、強度の低い部品を製造するプロセスもあります。また、運転中の汚染や不純物を防ぐための複雑な設備環境もあり、製造されたとしてもかなり高価です。

Mantleはこれらすべてのプロセスとそれ以上を評価しましたが、最終的には材料タイプとしてスラリーを選択しました。これは、金属3D印刷業界では非常にまれであると理解されています。

「単一金属粉末」での印刷には多くの課題があります。 PBFは確かに効果的ですが、達成するのは困難です。まず第一に、高コストが最初の考慮事項です。もちろん、それは航空、軍事、その他の非コスト分野では別の問題です。これは、マントルが粉末成形法を放棄した理由でもあります。これは、対象市場が航空業界とは異なり、このプロセスのコストを負担できない可能性があるためです。

マントルは、液体インクが蒸着ノズルに流れやすいものの、蒸着後の制御が難しいため、液体金属インクの印刷でよくある問題に直面しました。そのため、より高粘度のペースト印刷の使用を検討するようになりました。

コナーは、スラリー材料の利点について次のように説明しています。「さまざまな材料をテストした結果、流動性のある金属スラリーがさまざまな理由でコアニーズに最も適していると感じています。

まず、さまざまな温度で粘度を調整できる多成分ペーストを使用することで、厚い部分が崩壊したり位置を離れたりするのを防ぎながら、非常に正確に印刷し、圧搾後に隙間を埋めることができます。これにより、高い印刷濃度を実現できるため、優れた表面仕上げと高い機械的特性を備えた部品を得ることができます。

第二に、スラリーは他の原材料の取り扱いと保管を簡素化し、長い貯蔵寿命を持っています。

第三に、スラリーは焼結プロセス中の収縮率が8〜10％と低く、工具メーカーの精度要件を満たすのに役立ちます。

第4に、このスラリーにより、プリンターはよりシンプルな機械設計を使用できるようになります。必要なノズルは数百個ではなく1個であるため、コストが削減され、メンテナンスが簡素化されます。 「」

南極ベアは、高粘度の金属ペースト印刷の低収縮も、マントルがこのプロセスを選択して試してみる重要な理由の1つであると考えています。結局、彼らの主張する収縮はわずか8〜10％です。脱ガムおよび焼結プロセスの他のスラリーシステムと同様に、部品の収縮率は通常20％にもなります。したがって、マントルには、グリーンボディの強度を維持でき、取り外しが簡単で、焼結後の形状に大きな影響を与えない特定のローディングシステムが必要です。そうでない場合、この精度を確実に達成することはできません。しかし、彼らはこの問題を解決したか、少なくとも収縮を減らす問題を最小限に抑えたようです。

著者は、スラリー材料の多くの利点について聞いた後、他の人がそれを使用することを検討するだろうかと考えています。実際、中国には長沙マーキュリーチームや深セン深圳3Dなど、関連する試みをしている先駆者がすでに何人かいて、彼らも良い結果を達成しています。おそらく将来的には、かなり高価なPBF粉末床金属3D印刷システムを、より安価な材料の積層造形プロセスに置き換えることがますます魅力的になる可能性があります。

応用分野

南極ベアは、マントルが450億ドルの金型および金型業界に焦点を当てていることを理解しています。TrueShapeプリンタには、製造時間の短縮、コストの削減、成形サイクルを短縮できるコンフォーマルな冷却チャネルの作成という3つの主な利点があります。



これは通常、インサートなどの最も複雑な金型部品の印刷に使用されます。これらのインサートは通常、金型の中で最も高価で時間のかかる側面であり、マントルがその価値を最大限に活用できる場所です。もちろん、金型には、金型ベース、ランナー、エジェクターピンなど、通常は従来の方法で製造される他の部品もあります。次に、3D印刷されたインサートを金型ベースの残りの部分と組み合わせて、金型全体を形成します。