新しい 3D プリンティング手法により 2 つの金属で構造を構築

May 29, 2024

ワシントン州プルマン — 木や骨の構造の複雑さからヒントを得て、ワシントン州立大学のエンジニアは、2 台の溶接機を使用して同じ円形層に 2 種類の鋼を 3D プリントする方法を開発しました。 結果として得られたバイメタル材料は、金属が一緒に冷却される際に金属間に生じる圧力のおかげで、いずれかの金属単独よりも 33% ～ 42% 強いことが証明されました。

この新しい方法は、ありふれた比較的安価なツールを使用するため、製造業者や修理工場が近い将来に使用できる可能性があります。 Nature Communications誌に掲載された研究の上級著者であるアミット・バンディオパディヤイ氏は、さらなる開発が進めば、高性能の医療用インプラントや宇宙旅行用の部品の製造にも使用できる可能性があると述べた。

「あらゆる種類の溶接を行っているあらゆる場所で、設計コンセプトを拡張したり、非常に硬い材料と柔らかい材料をほぼ同時に組み合わせることができる用途を見つけたりできるため、非常に幅広い用途があります」とWSUのバンジョパディヤイ教授は述べた。機械および材料工学。

研究チームはこのアイデアを自然から借用し、樹木や骨は異なる素材の層状の輪が相互作用することで強度を得ていることに注目しました。 これを金属で模倣するために、WSU の研究者らは、自動車工場や機械工場で一般的に見られる、コンピュータ数値制御または CNC マシン内に統合された溶接装置を使用しました。 新しいハイブリッド セットアップでは、正確なコンピューター プログラミングと 2 つの溶接ヘッドを使用して部品を作成します。

デモンストレーションでは、2 つの溶接ヘッドが円形の層上で次々に動作し、それぞれに特有の利点を持つ 2 つの金属を印刷しました。 橋や鉄道で使用されるような安価な「軟鋼」の外側ケーシングの内側に、耐食性のステンレス鋼のコアが作成されました。 金属は冷えるにつれて異なる速度で収縮するため、内部圧力が発生し、実質的に金属を締め付けます。 テストの結果、ステンレス鋼や軟鋼が単独で持つよりも高い強度が示されました。

現在、溶接セットアップで複数の金属を使用して 3D プリントするには、金属ワイヤを停止して交換する必要があります。 新しい方法では、そのような一時停止がなくなり、金属がまだ熱いうちに 2 つ以上の金属を同じ層に配置します。

「この方法では、金属を線状ではなく円状に堆積させます。 そうすることで、これまで可能だったものから根本的に逸脱することになります」と、WSU機械工学博士課程の学生であり、この研究の筆頭著者であるライル・スクワイアズ氏は述べた。 「円を描くと、基本的に一方の素材がもう一方の素材をベアハグすることができますが、直線で印刷したり、レイヤーを挟んで印刷したりする場合にはこのようなことは起こりません。」

3D プリントされた金属部品を層ごとに強化できる機能により、強力なカスタマイズされた鋼部品を迅速に作成できる新しいオプションが自動車販売店に間もなく提供される可能性があります。 たとえば、バイメタルのトルク耐性のあるアクスル シャフトや、コスト効率の高い高性能ブレーキ ローターが開発される可能性があります。

研究者らは、将来的には、外側に耐久性のあるチタン、内側に治癒特性のある磁性鋼などの材料を使用して関節代替品を印刷する医療製造プロセスの可能性を見出しています。 同様に、宇宙の構造物は、構造物が一定の温度を維持できるように、冷却特性を備えた内部材料を囲む耐高温材料を持つことができます。

「このコンセプトでは両方の溶接機で印刷が行われるため、同じ層自体に複数の材料を使用でき、それらを組み合わせることで利点が生まれます」と Bandyopadhyay 氏は述べています。 「そして、たった 2 つの素材にとどまる必要はありません。 拡張することも可能です。」 研究者と WSU は、この開発に関して仮特許出願を提出しました。 研究チームには、Bandyopadhyay 氏と Squires 氏に加えて、第二著者で WSU 機械工学部の学生である Ethan Roberts 氏も含まれています。 この研究は国立科学財団からの支援を受けました。