3D プリントセラミックス

Jan 14, 2024

積層造形技術は多くの業界のさまざまな用途にますます採用されており、焦点の多くは 3D プリントの金属またはポリマー材料に向けられています。 しかし、エンジニアが工業用セラミック材料の優れた性能特性にますます注目するにつれて、セラミック 3D プリンティングは成熟し、変曲点に達しています。

従来のセラミック成形プロセスでは、高価な工具が必要であり、リードタイムが長くなります。 また、最新のコンポーネントの複雑な形状により、脱型がますます複雑になるため、このプロセスは非効率的でもあります。 積層造形の自由な設計により、従来は加工が困難であったこれらの材料に、重量を最適化したり、エネルギーの偏向や吸収などの特殊な性能目的に合わせて成形した、最適化された新しい形状が構築されます。

3D プリンティングにより、設計者は部品形状の複雑さを押し上げることができるようになり、新しい材料の可能性がアプリケーションの真のブレークスルーにつながります。

何世紀にもわたって建築に使用されてきたセラミックは、最先端の製造材料に進化しました。 たとえば、珪砂は金属鋳造に使用されるセラミックです。 鋳物工場は、最終用途の金属部品を製造するための鋳造ワークフローから逸脱することなく、定期的に材料から工具を製造しており、ここ数十年はサンド 3D プリンティングを採用して、ますます複雑なデザインをより迅速な納期で大量生産しています。

現在、酸化物、炭化物、または窒化物が結合したさまざまな工業用セラミック材料が、他の材料では満たすことのできない環境および性能の要求が高い用途に使用されています。 炭化ケイ素 (SiC)、アルミナ、ジルコニアなどの工業用セラミックは、生体適合性、高硬度、超高温安定性、化学反応耐性などの特性により、最も過酷な用途や過酷な環境での使用に切望されています。

バインダージェッティングには、これらのセラミックを従来の技術では構築できない複雑な高解像度の形状に成形する際に固有の利点があります。 印刷速度、印刷サイズ、および素材の柔軟性により、幅広い素材を最速で処理できます。 これは高度に研究されている技術であり、ダークパウダーは UV 硬化せず、融点が高いためレーザーベースのプロセスが不要になるため、他の添加技術の中でも SiC 製造に最適なプロセスとして広く認識されています。 ニアネットシェイプ部品の製造により、困難で高価な機械加工や研磨の後処理ステップも削減されます。 多孔質未加工部品は焼結、含浸、または溶浸を行うことで、用途に特有の多様な材料特性を実現できます。

積層造形の新しい設計パラダイムは、最先端の工業用セラミック材料と組み合わせて、バインダージェッティングを用途開発の最先端に置きます。

コリメーターは、研究者が迷走中性子を吸収することによって材料の特性をマッピングできるようにする中性子イメージングに使用されるコンポーネントです。 分解能を向上させ、実験中のバックグラウンド信号を低減して、原子レベルまでデータを捕捉します。

炭化ホウ素 (B4C) は、強力で軽量な特性と、中性子散乱装置で特に役立つエネルギー吸収特性を備えた工業用セラミックです。 過去の製造上の限界により、濃縮炭化ホウ素 (10B4C) などの吸収性の高い材料でコーティングされたブレードから、本質的に 1 次元でのみコリメートされる配置でコリメータが作られていました。 これらの伝統的なデザインは形状が制限されていたため、それを使用して実行できる研究の種類は限られていました。

X 線、放射光、中性子散乱実験用のソリューションを提供するデンマークのメーカーである JJ X-Ray の研究者は、3D プリンティングの自由な設計を利用して、2D コリメーション用のより複雑なコンポーネントを開発しました。 Desktop Metal X シリーズ バインダー ジェッティング システムは、10B4C パウダーから立方体を 3D で印刷しました。 20 mm3 コリメータのプロトタイプは、他の技術では製造できなかった 5×5 mm の直線壁のチャネルを備えています。

JJ X-Ray チームは、3D プリントされたコリメータで実現可能な高度な設計により、将来の実験のパラダイムが変化するにつれて新たな研究の機会が開かれることを期待しています。 チームは、湾曲した構造、薄肉部品、先細りの狭いチャネルにより、設計の限界を押し広げ続けています。

太陽光や風力などの再生可能エネルギー源は今後も成長し続けますが、エネルギー界の常識では、原子力発電は、現代の総合的なエネルギー網をサポートする最も信頼性が高く、持ち運び可能で、環境に優しいベースロード エネルギー源の 1 つであると考えられています。 スリーマイル島や福島のような注目を集めた事故に対する否定的な認識は、先端材料やその製造方法が利用できなかった時代の時代遅れの原子力技術を浮き彫りにしている。

Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) のような組織は、高度な製造を利用して、安全で制御された信頼性の高い原子力エネルギーを実現しています。 バインダー ジェット 3D プリンティングは、USNC の革新的な燃料設計において基本的な役割を果たしています。 この設計により、同社は核分裂を制御し、事故を完全に防ぐことができます。

USNC は、安全なマイクロモジュラーリアクター (MMR) システム設計と高度な燃料システムを組み合わせています。 このアプローチの鍵となるのは、炭化ケイ素 (SiC) を 3D プリントできるデスクトップ メタル バインダー ジェッティング技術で製造された完全セラミック マイクロカプセル化 (FCM) 燃料です。

SiC は、極めて高い環境安定性を備えた工業用セラミック材料です。 原子炉内の条件は業界の中でも最も過酷なものの一つですが、SiC は従来の黒鉛母材のように収縮したり過度に膨張したりしません。 また、酸化や腐食にも耐性があり、原子炉炉心の厳しい条件下でも安定性を発揮します。

しかし、SiC は複雑な部品を製造するのが面倒です。 何十年もの間、この材料を扱いたいという業界の要望にもかかわらず、高純度の結晶質の原子力グレードの SiC を原子力用途に必要な形状に変える実行可能な製造プロセスは存在しませんでした。 現在、Desktop Metal X シリーズは、最新の核燃料を安全に取り囲むことができる独自の形状に 3D プリント SiC パウダーを機械加工しています。

バインダー ジェット技術は、金属、砂、セラミックなどの粉末粒子の層にバインダーをインクジェットし、一度に 1 つの薄い層で固体部品を作成します。 3D プリンティング SiC にとって重要なのは、プロセス全体が低温で実行されることです。

「世の中には多数の積層造形法がありましたが、その大部分は成膜時の高温プロセスに依存しています」と USNC の中核部門執行副社長である Kurt A. Terrani 博士は述べています。 国際的に認められた技術リーダーは、「金属の場合、粒子を溶かして結合させますが、炭化ケイ素の高融点ではそれができません。バインダージェット技術は、実際に物理的特性に依存しているため、ユニークです」と説明しました。粉末の化学構造や相構造には基本的に依存しません そのため、高純度で高結晶性の炭化物原料粉末や核グレードの粉末を選択し、これらの非常に複雑な形状を形成することができますが、それは不可能でした以前は可能でした。」

バインダーの噴射と化学蒸気浸透を組み合わせて、多孔質 SiC 構造をより高純度の結晶質炭化ケイ素で充填することにより、USNC は、焼結、圧力の適用、または二次相の導入を必要とせずに、複雑なニアネット形状を作成します。 スラリーを作成するミキサー、射出成形機、炉などを使用した工業用セラミックスの従来の加工方法と比較して、バインダー ジェット 3D プリンティングは洗練されたソリューションであり、「コスト効率が高く信頼性の高いプロセス」であるとテラーニ氏は述べました。

3D プリントでユニークなデザインを一括作成できるため、USNC は安全で責任ある原子力エネルギーという使命に品質保証の層を追加することもできます。 「私たちはこれらの部品にIDを印刷するので、誕生の瞬間から、生産、稼働期間、そして排出時を通して原子炉の製造DNAを追跡します」とテラーニ氏は述べた。 「バインダーの噴射により、産業や遠隔地コミュニティで使用できる、安全で信頼性の高いカーボンフリーの原子力エネルギーの新しいパラダイムを生み出すことができます。」

先進的な製造上のブレークスルーを活用したこのアプローチは、数十年前の技術を変革し、21 世紀により安全で効率的な原子炉を提供する受動的安全原子炉の設計を作成します。

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