マルチマテリアル印刷で AM アプリケーションが急増

積層造形 (AM) は、機械、手法、材料の継続的な改善により、業界全体に多くの機会を生み出します。また、従来の製造プロセスで構築されたマルチマテリアルデザインと同様に、小さいながらも成長を続けるマルチマテリアル 3D プリンティングの分野では、AM の力がさらに解き放たれています。

マルチマテリアルシステムにより、機能勾配構造、複合材料、新規合金、電気および電子部品の新しい製造方法などのバリエーションが可能になります。この方法は、関節インプラント、ロボットのアーム端グリッパー、回路基板など、さまざまなデバイスの製造に使用されます。

また、実践者の中に科学者としての資質を引き出すこともできます。「マルチマテリアル 3D プリンティングでは、ここに少しの材料 A を選択的に配置し、そこに少しの材料 B を配置したらどうなるでしょうか?」メリーランド州ノースベセスダのデジタル製造市場 Xometry Inc. のアプリケーションエンジニアリング担当ディレクター、グレッグポールセン氏は次のように述べています。

「デジタルマテリアルと呼ばれるものを作成できます。これは、硬い素材に少量のゴムのような素材をドープして、その素材をより柔らかく、より柔軟に機能させるものです」とポールセン氏は言います。「あるいは、逆に、非常に柔らかいゴムを使用し、少し硬い素材を追加して少し硬くすることもできます。そして突然、1 回のプリントまたは実行で、次のようなオブジェクトを作成できます。シミュレートされたオーバーモールドを使用することも、同じプリント内に異なる特性を組み込むこともできます。」

ただし、注意点があります。その新しさのため、これまでのマルチマテリアル応用のほとんどは研究や学術界に追いやられており、この実践は「比較的新しい分野」であるとポールセン氏は指摘した。

彼は一人ではありません。金属用のレーザー粉末床融合（LPBF）プリンターを製造するAconity3D GmbH（ドイツ、ヘルツォーゲンラート）は、同社のマルチマテリアル顧客を「早期採用者」であり、そのほとんどが学界にあると述べた。実際、これまでのところ、アイデアから現実への技術移転は、マルチマテリアル印刷が産業プロセスとしての地位を確立しているため、激流というよりは少しずつでした。

AM で 2 つの異なる素材を印刷および後処理するには、その特性を注意深く評価する必要があります。リソグラフィーベースのセラミック3Dプリンターを製造するリソズ・アメリカLLC（ニューヨーク州トロイ）の副社長ショーン・アラン氏は、「確かに無制限ではない」と語った。

2 つの材料が高温焼結プロセスとその後の冷却を通じて互換性があるかどうかを尋ねられたとき、Allan 氏はその質問について少し考えました。「私たちが注意しなければならないのは、これらの材料が互いに結合するかどうかということです。なぜなら、焼成時に材料によっては、互いにうまく結合したままにならないものがあるからです」と彼は言う。「私たちが注目しなければならない最大の要因の 1 つは、熱膨張の不一致です。」

2 つの材料間の不一致が深刻な場合、加工中に部品内に内部残留応力が蓄積する可能性があります。アラン氏によると、これにより材料が剥離するか、「エネルギー的に飛び散る」つまり爆発が起こるそうです。

膨張測定では、焼結時の熱膨張と熱収縮の両方を測定します。その結果、ユーザーは 2 つのマテリアルが単独でどのように動作するかを評価し、それらが互いにどのように重なり合っているかを特定して、「この組み合わせが潜在的に良い組み合わせであるかどうかの感覚」を得ることができるとアラン氏は述べています。

2 つのセラミックを組み合わせることに加えて、Lithoz はセラミックに金属を加えることにも取り組んでいます。「そうすれば、通常は2つのものを別々に作るかスクリーン印刷する必要があるところを、材料に導電経路を設けることができるようになります」とアラン氏は語った。「しかし、絶縁体を介して導電性トレースを印刷することはできます。これにより、電気コンポーネントの設計が可能になります。」

セラミック内部に金属を印刷する実際の用途には、化学プロセス用の工業用反応器や手術中の焼灼用の装置などが含まれる可能性があります。ただし、セラミックは焼成中に一部の金属が溶融せずに耐えられる温度よりもはるかに高い温度を必要とします。

「誰かがセラミックをアルミニウムと組み合わせたいとしても、それはうまくいきません...アルミニウムは600°C、おそらく660°Cで溶けますが、セラミックが発火する最低温度は約1,000°CであることがわかっていますＣ」とアランは言った。「そしてそれらは通常、金属とうまく機能するように設計された特別なガラスセラミックです。」

銅、銀、金などの金属には、Lithoz は低温同時焼成可能なセラミック (LTCC) を使用しています。ガラスセラミックと同様に、LTCC は 800 ～ 1,000 ℃ で焼結するように設計されています。これはセラミックとしては非常に低い温度であり、銅、銀、金が溶ける温度よりも低い温度です。

「アルミナと銅を使用したい場合、アルミナは焼結するために1,600℃まで加熱する必要があるため、うまくいきません」とアラン氏は述べた。「しかし、たとえば、アルミナとプラチナ、またはアルミナとモリブデンを一緒に（印刷）することはできます。それらは互いに非常に気に入っており、うまく連携します。」

Aconity3D のプリンターで行われるように、金属粉末を使用して印刷すると、インゴットに形成された金属では不可能な「疑似合金」を作成する可能性が生まれます。

「粉末 A はクロム、粉末 B は銅を摂取できます」と Aconity3D の CEO、Yves Hagedon 氏は説明しました。「50/50で混合した場合、これらの材料はインゴットの作成に使用される合金を形成しません。その結果、従来の鋳造では、半分がクロム、半分が銅でできた部品を手に入れることはできませんでした。」

しかし、クロムと銅の粉末をそれぞれ 50% ずつ乾式混合して組み合わせることで可能性が広がります。「レーザーを照射すると、いわゆる準合金が得られる」とハーゲドーン氏は語った。「つまり、本物の合金ではありませんが、両方の材料の長所と、残念なことに短所を併せ持つことになります。」

スペインのリナレスに拠点を置く Meltio のマルチマテリアルアプローチは、ステンレス鋼、チタン、炭素鋼、インコネルなどのさまざまな金属で作られた汎用溶接ワイヤを使用して、その有利な特性を活用することに焦点を当てています。

「これは、例えば、動作中に摩擦やその他の要因によって磨耗を受ける領域には耐摩耗性の高い材料を使用し、主要部分にはより安価で延性の高い材料を使用することが考えられます。」とジョルジオ・オリビエリ氏は述べています。 Meltio のアプリケーションエンジニアリングマネージャー。

この技術では、表面に耐食性材料を使用し、内部にはステンレス鋼などの一般的な材料を使用することもできます。 Meltio の戦略は、高価な材料 (インコネルなど)、超合金、ニッケル基合金を必要な場合にのみ使用することで、経済的利益を最大化します。同時に、後処理を減らすために必要な箇所に難削材が堆積されます。

「外面の状態によっては、より価値の高い材料を使用しなければならない場合がありますが、コアにはこの材料によってもたらされる機械的特性や利点はありません」とオリビエリ氏は述べました。「したがって、必要な場所に材料を配置できることは、部品の実際のコストの点で大幅な節約になります。」

たとえば、Meltio がポンプ用のインペラを製造している場合、部品全体をこの高価な材料で作らなくても、インコネルの外層によって耐食性が得られます。あるいは、ステンレス鋼やインコネルの代替品として、摩耗しやすい部分に耐食性コバルト合金であるステライトを添加した工具鋼で部品を作ることもできます。

ケルンに本拠を置き、高性能プラスチックで作られた技術製品の製造販売会社である Igus GmbH は、マルチマテリアル 3D プリンティングで作られたいわゆるスマートベアリングの可能性を見出しています。

丸いベアリングは 2 層で印刷されます。外皮は、摩擦学的に最適化されたポリマーブレンドから作られた薄い (0.25 ～ 0.3 mm) 自己潤滑性プラスチックです。上部カバーの下には導電性プラスチックの層があり、コントローラーが部品の電気抵抗を継続的に測定します。

「ベアリングの寿命を通じて、抵抗は変化します」とイグスの 3D プリンティング部門の責任者であるトム・クラウス氏は述べています。「（自己潤滑性プラスチックの）表面が摩耗するとすぐに、一方の回路からシャフトを通ってもう一方の回路に電気が流れます。そして、それがベアリングが壊れているという情報になります。」

いくつかのタイプのユーザーインターフェイスが利用可能ですが、最も単純なものは緑と赤のランプを備えた LED ライトです。「それは実際にはオンかオフだけです」とクラウス氏は指摘した。「電気が流れるか流れないかだけです。その間には何もありません。」

もう 1 つのオプションは、イグスの i.Sense コントローラーを使用することです。これは、ダッシュボードのアラートを表示したり、コントローラーをトリガーしてマシンの電源をオフにしたり、あるいはその両方を行うことができます。エンジニアはこれに興味を持っていますが、「部品を設計する必要があり、それをどこで使用するかについてのアイデアを持っている必要があるため、どこから始めればよいかわからない」とクラウス氏は考えています。

逆に、イグスのエンジニアはスマートベアリングの使い方を正確に知っていると彼は言いました。同社は、ベアリングに適用されているのと同じコンセプト、つまりプラスチックの導電層上の自己潤滑層を使用して、エナジーチェーン用のインテリジェントケーブルキャリアを製造しています。自己潤滑層が磨耗すると、導電率が変化します。

最大の違いはパーツの形状です。クラウス氏によると、この場合、丸いというよりはむしろ長方形のブロックで、4 つの層があります。

「各層が焼き切れると、それが摩耗しているかどうかの情報が得られます。」

これにより、予知保全が可能になります。オペレーターは、最初の層がすり減るのにどれくらいの時間がかかったかがわかれば、2 番目、3 番目、および 4 番目の層がすり減るのにどれくらいの時間がかかるかを計算できます。エナジーチェーンはセクションに分かれて構築されているため、各パーツに障害の位置を検出および特定できるスマートケーブルキャリアを取り付けることができます。

ロードアイランド州ラムフォードにあるイグスの AM ビジネスユニットの責任者であるマイク・ライリー氏は、「一箇所だけの破損であれば、それを修理したり、個々のコンポーネントを交換したりするのは非常に簡単です」と述べています。あるいはそれが何であれ、その通知を受け取ったときに、システム全体がダウンするのではなく、その領域、そのセクションを迅速に修復するだけでダウンタイムを回避できます。」

イグスのエンジニアは、インテリジェントベアリングに力感知機能を追加することを検討しています。この場合、内部の素材は導電性があるだけでなく、弾力性もあります。「そして、この弾性のある導電性素材は、外から力が加わるとより大きくたわみます」とクラウス氏は語った。「そして、このたわみを通じて抵抗の違いを再度測定できるため、何かが壊れる前に情報を提供することもできます。」

センサーが特定のしきい値に達して問題の発生を知らせると、オペレーターは機械が故障する前に電源を切ることができます。「しかし、これはまだ非常に実験的なものです」とクラウス氏は言う。「まだ顧客からの申し込みはありません。」

Aconity3D もセンサーに大きな可能性を見出していますが、そのアイデアは埋め込み型または一体型の検出器に関するものです。「基本的に、何を扱うかは電気抵抗率の違いです」とハーゲドーン氏は言う。

彼は、内部に銅の線が印刷されたアルミニウム製の部品について説明しました。銅線は 2 本のケーブルに接続されています。「最終的には、ケーブルを接続するだけで、センサーがすでに部品に実装されているはずです」とハーゲドン氏は語った。「機械的負荷がかかると、銅線の抵抗率が増加します。負荷がかかっている場合は、それを測定できるようになりました。」

センサーを超えて、エレクトロニクスのマルチマテリアル 3D プリンティングの可能性があります。少なくとも 1 社、マサチューセッツ州ウォルサムの Nano Dimension Ltd. は、自社の DragonFly プリンタを使用した積層造形エレクトロニクスの工業生産を推進しています。

Allan 氏によると、材料の適合性が定義されれば、マルチマテリアル印刷でセラミックを使用できる大きな可能性が生まれます。特に、Lithoz は機能的に傾斜したセラミックを扱ってきました。

「おそらく、同じ材料の異なる 2 つのスラリーがあるでしょう。しかし、1 つはより高い多孔性を与える犠牲添加剤が含まれているのです。」と彼は言いました。「これにより、材料の熱特性や音響特性などを端から端まで調整することができます。もう 1 つの一般的なことは、やはり、多かれ少なかれ同じ材料を使用している可能性がありますが、色のために異なるドーパントが追加されている可能性があります。」

着色剤は不透明度を制御することができ、これは電子機器のパッケージングに必要となる場合があります。ベニアやクラウンなどの歯科修復物の場合、色のグラデーションによって自然な外観を実現できます。デザインやブランディングのために色を組み込むこともできます。

機能的に段階的に変化した気孔は、熱伝導のゲートキーパーとして機能します。同様に、部品を通過するガスや流体の流れを許可したり、妨げたりする可能性があります。「不浸透性のセクションが必要になるかもしれないし、場合によっては、液体やガスがある場所から別の場所に移動するためのフィルターまたは経路のように機能する部品の別のセクションも必要になるかもしれません」とアラン氏は述べた。

マルチマテリアル 3D プリンティングは、セラミック部品をろう付けしたり、気密シールを作成したりするための補助または代替としても機能する可能性があります。「今では、その接合部を別の方法で、さらに三次元的に設計することが可能になるかもしれません。そうすれば、材料内のろう付けをよりよくかみ合わせることができるかもしれません。通常、これらのものは単に層を重ねて一緒に焼成するか、別々のコンポーネントとして一緒にプレスするだけだからです。」アランは言った。「しかし、実際にはろう付けをもう少しうまくセラミックに組み込むことができるかもしれません。」

テキサス州エルパソにある AconityUS Inc. の社長である Cesar Terrazas-Najera 氏は、マルチマテリアル 3D プリンティングによる産業セキュリティ対策の可能性を認識しています。「そこで、アイデアの 1 つは、実際に部品自体の中に QR コードをカプセル化して、偽造できないようにすることです」と彼は言いました。「これは業界にとって非常に強力です。顧客に出荷される部品を誰も偽造しないと保証できるからです。顧客はそれをスキャンして、それが意図された部品であることを確認できます。」

Terrazas-Najera 氏は、CT スキャンで画像化された部品の材質と対照的な金属に QR コードを印刷できると説明しました。部品の作成手順や部品をトレースするための詳細情報など、他の情報を印刷する可能性はさらにあると同氏は述べた。

Meltio は、マルチマテリアル 3D プリンティングをレーザーまたは溶接クラッディングの代替手段とみなしています。「クラッディングについて話すとき、それは通常、比較的単純な部品の外面にあります」とオリビエリ氏は言います。「二重材料を使用して部品を層ごとに構築することにより、私たちのシステムは、（従来の）クラッドでは決して到達できなかった領域に「クラッド」材料を堆積させることができます。」

ポールセン氏によると、マルチマテリアル 3D プリンティングは新しいアイデアを刺激するだけでなく、デザイナーやエンジニアにとっても異なる考え方を必要とします。従来の考え方は、全体で同じ特性を持つパーツにフィーチャーを追加することですが、現在は必ずしもそうではありません。

「それはひっくり返るのです」とポールセン氏は語った。「それには、これまでとは異なる考え方だけでなく、直感的なソフトウェアも必要になると思います。CAD (コンピューター支援設計) に興味を持っているデザイナーやエンジニアはいるかもしれませんが、実際に、または簡単に実行できる能力はないかもしれません。そこから大きなメリットを得ることができるファイルを作成してください。」

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