3Dプリント熱交換器用金属粉末の可能性を解き放つ

アディティブ・マニュファクチャリング産業は、年平均成長率24.3% [1]で成長しており、2030年までに世界には270万台以上の3Dプリンティングデバイスが存在することになる[2]。医療分野と並んで、航空宇宙と自動車は、積層造形能力のこの急速な上昇を利用するトップ産業のひとつである。

これらの産業が3Dプリンティング技術の新たな用途を発見し続けるにつれて、プリンティング材料の物理的特性は限界に近づいている。その結果、コンフラックスのような企業は、新しい材料を発見し、金属印刷用粉末の性能を引き出す技術を開発するために、大規模な研究開発プロジェクトを実施している。

3D金属プリンティングの仕組み

金属部品を3Dプリントする方法はいくつかありますが、いずれもCADモデルをテンプレートとして使用し、物理的な部品を薄い層で作り上げるという同じ基本原理に基づいています。レーザー粉末造形法（LPBF）は、最も広く使用されている技術の1つで、レーザーを利用して金属粉末の層を融合させます。取り扱いの容易さや原材料のリサイクルなど、多くの実用的な理由から人気のある手法ですが、コンフラックスにとってその利点は、コンポーネントの造形精度にあります。

高い熱伝導性で正確な造形物を得るためには、最適な印刷用パウダーを選択することが最も重要です。3Dプリンティングにはさまざまな金属パウダーがありますが、すべてが3Dプリンティングの過酷な環境に対応できるわけではありません。 熱交換器.

高性能の熱交換器では、壁やフィンをできるだけ薄くすることを常に心がけている」。 ハイライト イアン・フォーダイス博士コンフラックスのアディティブ・マニュファクチャリング・エンジニア。 私たちが扱っている厚さは、粉末の粒子径やレーザースポット径と同じオーダーです。ですから、10ミクロンという誤差は私たちにとって非常に大きな問題です。この誤差は、熱交換器に設置できるフィンの数を減らすだけでなく、表面粗さや肉厚の増加にも影響し、熱交換器の熱性能を低下させる可能性があります」。

高性能金属印刷用粉末の特徴

材料を選択する最初の段階は、粉末によって大きく異なる印刷適性を理解することです。印刷適性とは、造形物を故障させることなく物理的に形状を印刷する材料の能力のことです。例えば、硬質鋼やニッケル合金は、印刷中に残留応力や反りが発生し、造形プレートから浮き上がって再コーターに衝突します。一方、他の材料は低密度で印刷されるため、穴があいてしまい、故障の原因となります。

高品質を実現する鍵は、粒度分布が一定で最適な組成のパウダーを使用することです。これを保証するため、コンフラックスでは厳格な品質管理手順に従い、分光分析と引張棒の機械的試験を用いて、新しいパウダーとリサイクルパウダーの組成を追跡しています。これにより、パウダー内の各合金のレベルを監視するだけでなく、リサイクル中に形成された酸化物層の量も監視し、印刷パラメータで説明することができます。

粉末が印刷可能と判断されると、焦点は印刷された材料の物理的特性の分析に移る。熱交換器に使用される合金は、800℃を超える温度に対応する必要がある。また、熱交換器にはさまざまな冷却剤が使用されるため、高い疲労寿命と耐腐食性も求められます。 自動車, 航空宇宙 およびエネルギー用途。

熱性能に関して言えば、我々にとって最も重要な特性は強度です」。 とフォーディスは説明する。 より強度の高い材料を使うことができれば、壁を薄くすることができ、熱伝導の経路が短くなり、最終的にはより高性能の熱交換器になる」。

ほとんどの人は熱伝導率も重要だと考えていますが、私たちが扱っている壁の厚さでは、熱伝導率の重要性が低くなることがわかりました。例えば、銅はアルミよりも熱伝導率が高いのですが、銅部品の強度を十分に高めるために壁を厚くしなければならないとすると、全体として熱交換器の性能は悪くなります。ですから、より薄い壁を持つ部品を実現できるのであれば、熱伝導率を犠牲にすることができるのです」。

積層造形に使用される金属粉末の種類

ステンレス合金

コンフラックスのレパートリーのひとつである316ステンレス鋼は、比較的安定した合金で、高い耐食性が要求される高温および低温の過酷な環境に適しています。そのため、石油・ガス産業用の工具や機械部品、腐食性物質と接触するエンジン部品の製造に最適です。

しかし、比較的重いため、航空宇宙やモータースポーツなどの軽量用途には適さない。また、アルミニウムよりも印刷時の反りや残留応力が大きくなる可能性がある。

チタン合金

航空宇宙やモータースポーツの用途に理想的な極めて強靭で軽量な素材はチタン、特にTi64などのチタン合金だ。2017年以降、エアバスはA350旅客機のドアに3Dプリントしたチタンシャフトを取り付け、最近ではヘリコプターや軽量都市型航空機（UAV）の部品を製造するためにドイツに積層造形センターを開設した[3]。インディカーは、エアロスクリーンのドライバー保護装置を支えるフレームに3Dプリンターで作られたチタンを利用している。また、チタンは高い耐食性を示しており、酸化物コーティングによってさらに耐食性を高めることができる。

銅合金

銅は熱伝導率が高いので、ヒートシンクや熱交換器のような熱的用途や、バスバーや誘導コイルのような電子部品に理想的です。しかし残念なことに、ほとんどの積層造形プリンターで使われているタイプのレーザー波長では、銅のプリントは難しいのです。材料メーカーはこのことを認識し、現在では合金元素を加えて銅ジルコニウムや銅クロムなど、高率の銅合金を作っています。これらははるかに印刷しやすく、高い熱伝導性を保持しています。

アルミニウム合金

AlSi10Mgなどのアルミニウム合金は、3Dプリンティングで最も一般的に使用される材料です。これは主に、アルミニウムが他の合金に比べて残留応力割れの傾向が低く凝固するためで、そのため何十年もの間、鋳造に使用されてきました。

アルミニウムはチタンよりも安価で、航空宇宙、自動車、モータースポーツでよく使われている。エアバスやボーイングのような企業は、航空機、ヘリコプター、人工衛星のために3Dプリントされたアルミニウム部品を製造し続けている。アルミニウムは、フォーミュラ1の熱交換器や、ポルシェの911 GT2 RSモデルのような自動車用ピストンのプリントにも使用できます。

近年、AlSi10Mgよりも高い強度と耐食性を持つアルミ合金の印刷適性を向上させるための開発が盛んに行われています。そのため、数年前には市場になかった様々な新しいパウダーが登場している。

ニッケル合金

インコネルなどのニッケル合金や モネルK500 ニッケル合金は、極端な温度でも強度を維持し、腐食性の高い流体にも耐性があるため、ロケット用途、ガスタービンエンジン部品、その他の航空宇宙用ターボ機械に最適です。しかし、ニッケル合金は印刷工程で残留応力が発生しやすく、クラックが発生しやすいため、印刷性が問題になることがあります。このような造形不良のリスクにより、この材料は印刷コストが高くなるため、通常は非常に特殊な用途にのみ使用される。

プラズマ電解酸化（PEO）のようなコーティングが、3Dプリントパーツの性能をどのように高めるか

3Dプリント部品の性能を向上させるもう一つの戦術は、部品の表面に保護コーティングを施すことである。これは、アルミニウムの耐食性を高めるために特に重要です。

3Dプリント部品のコーティングには、いくつかの異なる方法がある。 と、ディーキン大学のアソシエイト・リサーチ・フェロー、ミラド・ラガエイ博士は説明する。 最も一般的なのは塗装ですが、コンフラックスの熱交換器のような複雑な形状の部品では、内面を完全に塗装することはできず、複雑な流路を塞いで熱伝達を損なう危険性があります」。

さらに、塗料は高温に耐えられなかったり、必要な耐薬品性を備えていなかったりすることがあり、劣化や汚染の可能性、性能の低下につながる。

別の電気化学的コーティングプロセスとして、プラズマ電解酸化（PEO）があり、これは陽極酸化と同様の方法で機能しますが、PEOプロセスでは電流が著しく高くなります。部品を電解液槽に浸し、この電解液に高電圧を定電流で流します。この高電圧により、部品表面にプラズマが発生し、マイクロアーク酸化が起こる。その結果、表面に薄い酸化皮膜が形成され、部品は腐食から保護される。

陽極酸化は一般的にアルミニウム部品に適用され、酸性の電解質を使用して耐食性の硬化した表面層を形成します。とラグヘイは続ける。 残念なことに、これらの電解液は環境に優しくなく、熱交換器内の繊細なフィンに必要な鋭利なエッジやコーナーを適切にコーティングするのに苦労している」。

陽極酸化は、AMで一般的に使用される高シリコン合金を含む、様々なアルミニウム合金には適さず、また、鋭利なエッジなどの特定の形状でクラックなどの欠陥が発生する可能性があります。PEOにはこのような欠点はなく、幾何学的特徴に関係なく、より多くの種類の合金を堅牢で高密度の表面でコーティングすることができます。

プラズマ電解窒化（PEN）の仕組みは？

アルミ部品の防錆不足を解消する、 コンフラックスがディーキン大学と共同研究 は、プラズマ電解窒化（PEN）と呼ばれる新しいタイプのPEOプロセスを開発した。PENはプラズマ窒化とも呼ばれ、鋼を含む様々な金属に使用される表面改質技術で、表面硬度と耐摩耗性を向上させる。窒素を含む環境（電解液）中でプラズマを発生させ、金属表面に窒素イオンを導入します。

私たちの初期の研究によれば、従来の陽極酸化技術では30分かかるところを、私たちは2、3分で部品をコーティングできる。この迅速なプロセスは、必要なエネルギーと化学薬品の量を大幅に削減し、その結果、より高い性能を持つ3Dプリントパーツを、より安価なコストで実現します とフォーディスは続ける。 私たちは、プラズマ電解窒化（PEN）技術の基礎となる窒素を含む新しいコーティング電解質を開発することで、PEOプロセスをさらに進化させました。PENは、PEOよりもさらに優れた耐食性を発揮することが証明されています。PENはアルミニウム熱交換器用に開発を始めましたが、現在ではあらゆるアルミニウム合金に使用できるため、幅広い用途に使用できる可能性があることに気づいています」。

この革新的なプロセスのもうひとつの利点は、時間、電流、電圧などのパラメーターを変化させてコーティングの厚さを調整できることだ。これにより、アディティブ・マニュファクチャリングで作られるマイクロ・チャンネルやフィンのような複雑な形状でも、流体の流れを妨げないようにコーティングを十分に薄くすることができる（パラメータによって2～5µmの厚さ）。また、コンポーネントの特定の領域をコーティングし、他の領域はコーティングしないようにプロセスを制御することもできる。

結論

今日の積層造形技術は、かつてないほど複雑な形状のプリントを可能にしている。しかし、適切な用途に最適なパウダーを選択してこそ、これらの部品は真に高性能を発揮することができる。コンフラックスがディーキン大学と開発しているPENのような革新的なプロセスは、熱交換器の性能をさらに高める可能性を秘めています。これと印刷パラメーターの最適化により、3Dプリント熱交換器は以下のようなあらゆる用途に適するようになる。 ロケット レースカーに。

参考文献

[1] A,S.2023. 未来を解き放つ：2030年の3Dプリンティング市場予測を探る [オンライン]。3Dネイティブ。

[2] T,A.2022. 3Dプリンティングの数 2020年から2030年までの世界の付加製造装置（状況別 [オンライン]。Statista.

[3] 2023. エアバス・ヘリコプターズ、3Dプリンティングで競争力を強化 [オンライン]。エアバス.