HRL Laboratories が 3D プリンティングによる破壊の新しい方法を開発

Jul 03, 2023

ゼネラルモーターズとボーイングが所有する研究センターであるHRLラボラトリーズの研究者らは、耐破壊性セラミックマトリックス複合材料（CMC）を使用した部品の3Dプリントの新しい方法を開発した。

HRL チームは、新しいシロキサンベースのプレセラミック樹脂を開発し、不活性粒子で強化し、熱分解と呼ばれる極端な加熱プロセスを使用してオキシ炭化ケイ素 (SiOC) に変換しました。 得られたガラス状材料は耐久性が向上しており、研究チームによると、推進、エネルギー生成、化学処理などの新しいエネルギーに敏感な分野で使用できる可能性があるという。

「このプロジェクトで私たちが取り組んだ課題は、この強化ソリューションを 3D プリンティング プロセスと統合することでした」と、このプロジェクトの HRL の主任研究員である Mark O'Masta 氏は述べています。 「これらの強化材を大量に分割して追加して、3D プリントしたセラミック部品を大幅に強化できるようになりました。」

「私たちは基本的に、脆いモノリシック材料を耐久性のある複合材料にしました。追加の利点として、補強材を追加することで加工上の制約の一部が緩和されました。」

3Dプリントセラミックスの用途を拡大

セラミック部品は通常、優れた耐食性と耐摩耗性を備えており、その独特の特性により高温領域での応用が可能ですが、その成形には問題があることが判明しています。 壊れやすいセラミックを使用して狭い形状の複雑な部品を製造すると、内部の亀裂や空隙に圧力がかかり、場合によっては悲惨な故障につながる可能性があります。

「伝統的に加工されたものであっても、3Dプリントされたものであっても、すべてのセラミック部品には、加工、取り扱い、保守中に発生する小さなボイドなどの小さな欠陥があります」とオマスタ氏は説明しました。 「問題は、その領域に応力がかかると、欠陥が制御不能な亀裂となり、部品全体の壊滅的な故障につながる可能性があることです。」

セラミック 3D プリント技術はまだ比較的初期段階にあるかもしれませんが、この問題を回避するために一般的に使用される技術がすでに登場し始めています。 直接インク書き込み (DIW) と溶融堆積モデリング (FDM) アプローチを組み合わせたアプローチが試みられていますが、より一般的には、ポリマーを注入した原料を硬化するために光重合 (SLA) が利用されます。

これらの既存のプロセスのそれぞれでは、印刷された「グリーン」パーツは、セラミック粒子が焼結される前に、ポリマーを除去する (脱結合) という 2 段階の熱処理を受けます。 最近の研究では、熱分解によって SiOC に変換する前に、代わりにシロキサン ベースの樹脂を使用して 3D プリントするという代替アプローチが明らかになりました。

この新たなセラミック製造技術により、長時間の脱脂および焼結ステップが不要となり、従来のセラミック印刷プロセスに代わる高速な代替技術となる可能性があります。 ただし、この新しい温度ベースのアプローチが効果的に機能するためには、材料の固有靱性の低さに対処し、粒子の融合不良を防ぐセラミック材料を開発する必要があります。

HRL Labs の 3D プリンティング セラミックスへの斬新なアプローチ

セラミック固有の脆弱性を回避するために、HRL チームはセラミック繊維強化 CMC の開発を必要とする新しいプロセスを開発しました。 研究者らは、光開始剤と分散した不活性セラミック粒子を含むオキシ炭化ケイ素（SiOC）材料の混合物を使用して新しい樹脂を配合した。

研究者らは、Prodways ProMaker L5000 産業用プリンターを活用して、配合の評価と最適化を目的として、1.25 (t) × 2.5 (h) × 15 (l) mm3 の一連のサンプルを作成しました。 数多くの特性評価テストを行った結果、チームは高レベルの粒子分散だけでなく、強化部品の引張強度における興味深い挙動も特定しました。

結局のところ、厚いサンプルは薄いサンプルよりも亀裂が入りやすいことが判明しました。この発見を通じて、HRL チームは達成可能な強化レベルの「スイート スポット」を特定しました。 強化要素を追加しすぎると「充填限界」を超えて部品が弱くなり、逆に強化要素が不足するとセラミックが破壊されやすくなる可能性があります。

2016年からこの技術に取り組んできた研究チームは、最終的に、加熱後の収縮が低減された、よく分散された強化セラミックを作成できた可能性があると考えている。 強化された材料を使用して印刷された製品は、肉厚が 3 倍大きく、靭性が 3 MPa を超えるという特徴を備えていたため、HRL チームは、より複雑な新しいセラミック部品が可能になる可能性があると結論付けました。

「光学顕微鏡と電子顕微鏡を使用した詳細な研究と欠陥の慎重な検査により、適切な加工条件を特定することができました」とHRLの研究の共著者であるエカテリーナ・"カティア"・ストンケビッチは結論づけた。 「その情報により、部品を以前よりも厚く印刷できることがわかりました。」

3D プリンティングにおけるセラミックの革新

セラミック積層造形は依然として高応力の最終用途向けに完全に最適化されていますが、多くの企業がすでにこの技術を商品化しています。

フラウンホーファー セラミック技術システム研究所 (IKTS) の科学者は、強化セラミック部品を製造できるマルチ マテリアル ジェッティング (MMJ) システムを開発しました。 新しい機械は、金属やセラミックなどの材料を融合して、それらの組み合わせた特性を活用します。

オランダに本拠を置く 3D プリンタ メーカー Admatec は、セラミックスにも対応したモジュール式の新しい DLP 3D プリンタ、Admaflex 300 を発売しました。このシステムは、大規模なアルミナ部品やシリカを製造するインベストメント鋳造業界のニーズを満たすように設計されています。コアまたはシェル。

他にも、マテリアル ジェッティングのスペシャリストである XJet が Straumann と提携して、歯科用途向けのセラミック 3D プリンティング テクノロジーの機能を進化させています。 XJet の積層造形システムを採用することにより、Straumann 氏は、通常は脆い材料を使用して複雑な形状の歯科部品を設計および製造することができました。

研究者の発見は、Mark R. O'Masta、Ekaterina Stonkevitch、Kayleigh A. Porter、Phuong P. Bui、Zak C. Eckel が執筆した「ポリマー由来のセラミックマトリックス複合材料の積層造形」というタイトルの論文に詳しく記載されています。 、トビアス・A・シェードラー。

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注目の画像は、HRL チームの 3D プリントされたセラミック複合強化構造の 1 つを示しています。 画像はHRL Laboratories経由。

Paul は歴史とジャーナリズムを卒業し、テクノロジー ニュースの最新スクープを見つけることに情熱を持っています。