BJT「EX-ONE」による工具鋼M2の積層実験を掘り下げる

バインダージェット「EX-ONE」による工具鋼M２を使った積層実験論文（2024年）をまとめました。工具鋼として必要な焼結体組織の健全性という切り口で深く研究されています。たいへん勉強になるすばらしい研究論文です。

参考文献：「Additive manufacturing of AISI M2 tool steel by binder jetting (BJ): Investigation of microstructural and mechanical properties」、Journal of Manufacturing Processes 132 (2024) 686–711 、Amit Choudhari　、Mechanical Engineering Department, Cleveland State University, Cleveland, OH, USA、他

粉末：SANDVIK社（米国）ガスアトマイズ法、AISI M2 HSS粉末、平均粒径10μm

バインダー：Aquafuse (BA005)　水性バインダー

BJT：EX-ONE　

1. 積層（印刷）プロセスの最適条件

• Layer Thickness（積層厚み）: 50μm 

• Binder Saturation（バインダー飽和度）: 70%

• Oscillator Speed（オシレーター速度）: 2,700 rpm

• The recoating speed（リコート速度）: 24 mm/s

• Roller Rotation Speed（ローラー回転速度）: 250 rpm

• Roller transverse speed（ローラー移動速度）: 24 mm/s（リコート速度と同期）

• Binder Set Time（定着時間）: 5 sec

• Drying Time（乾燥時間）: 15 sec

2. 脱脂（Debinding）プロセスの条件

• 第1ステップ（溶媒除去）: 150 °C まで 1.0 °C/min で昇温、60 min 保持

• 第2ステップ（ポリマー分解）: 400 °C まで 0.5 °C/min で緩慢昇温、120 min 保持

• 雰囲気: アルゴン（Ar）ガス流量 2 L/min の不活性雰囲気

3. 焼結（Sintering）プロセスの最適値

• 焼結温度（Sintering Temperature）: 1,280 °C

• 保持時間（Holding Time）: 60 min

• 雰囲気（Atmosphere）: 高真空10-4～10-5Torrまたは アルゴン＋水素（Ar + 5%H2）混合気流

• 冷却速度（Cooling Rate）: 空冷（Air Cooling）

＊1,280 °C × 60 min ＋ 空冷の組み合わせが、過度な液相による自重変形を起こさず、最も高い圧縮強度（3,580 MPa）と健全な微細組織（微細に分散した炭化物組織）を得られる。

【珈琲ブレイ句】実験では、平均粒径5μmの粉末も用意されましたが、予備実験の不良率が80％と高いため本実験には使用されていません。やはり微細粉末は流動性が悪いので、EX-ONEの標準仕様では使えないということですね。

　粉体の流動性を高めるために、「乾燥環境の管理」の重要性が説かれています。また裏技として、「湿った粉末の復活法」が２つ紹介されています。①180～200℃のオーブンで2-3H焼成する。②1～10torrの真空状態で10～15分間放置する。

　結論は、焼結後に空冷（Air Cooling）が良いとのことですが、この実験はおそらく管状焼結炉を使っているので試験片を、焼結直後に空冷できたのではないかと思われます。量産炉であれば、密度の大きなアルゴンガスを使って炉内の水冷クーラー（熱交換器）を回す方法になるのでしょうか？　工具鋼は組織の課題があるので難しいところです。

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技術コンサルタントがネガティブに感じた事例①

《前書き》

　技術コンサルタントとして現場を観察していると、ネガティブで深刻な問題に気づくことがあります。たとえば、「技術のブラックボックス化」や、「勘と経験」に依存した場当たり的な対応への回帰です。コンサルタントの役割は、こうしたリスクを可視化し、背景や原因を整理したうえで、改善策を提案することだと考えています。

　しかし実際には、提案が十分に受け入れられず、大きな改善につながらないケースも少なくありません。その背景には、現場側の「変化に対する不安」や、「外部からの指摘に対する抵抗感」があるように感じています。強く指摘すれば関係性を損なうので、現実には難しいバランスが求められます。

 【珈琲ブレイ句】

　前日のブログでも書きましたが、寸法のチューニング目的で焼結温度を下げる対策などもネガティブな事例です。ここで、もうひとつネガティブな事例を紹介しておきます。

『MIMの脱脂焼結工程で、焼結体にテンパーカラーによる表面変色がついたため、対策として、アルゴン圧力コントロール下での焼結が完了したのち、炉内冷却前に、アルゴン（窒素）を封入して外気圧より炉内の圧力を高くする。その結果テンパーカラーが無くなった。さらに、この条件が標準になっていた。』

　現場は「炉内を陽圧（大気圧より高く）にすれば、外気の巻き込み（酸素の侵入）が防げて変色（酸化）を抑えられる」という近視眼的な「対策」です。ここには大きな３つの問題があります。

1. 冶金学的な問題

　変色の「真因」の追究が不十分である。

　テンパーカラーが発生したということは、炉内の高温域、あるいは冷却の特定フェーズにおいて、許容値以上の酸素が存在していたことを意味します。その根本原因としては、炉体や配管・バルブからの微小なリーク、あるいはガス導入経路での大気巻き込み等が考えられます。しかし、この現場対応は「大気が入ってくるからガス圧を上げて押し返す」という対症療法に留まっています。高温焼結中のリークは、そのまま問題が表面化することなく継続していきます。

2. 設備保全管理の問題

　リークの根本原因を特定し、恒久対策を迅速に講じる設備管理体制（システム）が機能していない。

3. プロセス管理（再現性）の欠如

　「焼結完了の段階でアルゴンや窒素を封入する」という個別のオペレーションが、一時的な応急対策であればやむを得ませんが、現場の裁量に依存したプロセス管理では、長期的な品質の再現性に懸念が残ります。この運用が仮に社内標準として定着しているのであれば、品質管理・QCDを組織的に統制すべき技術部門の「技術統治（技術ガバナンス）」が脆弱である可能性を示唆しています。

関連BLOG:「テンパーカラー」は「MIM設備保全の警告信号」

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MIMの密度は望目特性ではなく望小特性と考える理由

 【珈琲ブレイ句】MIMの成形体密度および焼結体密度をタグチメソッドの特性値として扱う際、私は「望目特性」や「望大特性」ではなく、あえて「望小特性」として扱っています。その論理的背景について、あくまでも「個人的な意見」として共有します。

《理由1》品質工学の観点

一般的には、密度は高いほど良いと考えられるため、「望大特性」として扱いたくなります。しかし私は、理論密度から実測密度を差し引いた“密度差”を特性値とし、それを「望小特性」として評価すべきだと考えています。

その理由は、「望大特性」のSN比には、ばらつき評価において平均値の寄与が過度に反映されやすい傾向があるためです。すなわち、平均値が高い条件では、ばらつきの影響が相対的に見えにくくなる場合があります。

一方、「理論値−測定値」という偏差を用いて「望小特性」として扱えば、理論密度への到達度と安定性の双方を、より直接的に評価しやすくなると考えています。

《理由2》MIM技術の観点

また、「望目特性」を選択することには、平均値そのものを調整・管理する意図（いわゆるチューニング）が含まれます。しかし、MIM技術において、特に焼結密度を意図的にコントロールする運用については、私は否定的な経験しか持っていません。

実際に、焼結体寸法を調整する目的で焼結温度を下げるチューニングが行われている現場を見たことがあります。しかし当然ながら、そのような条件ではMIM焼結体の品質は低下し、表面品位だけでなく機械的強度も悪化していました。

私は、MIM焼結体の寸法調整は、焼結条件によって密度を犠牲にして行うべきではなく、バインダー量の微調整によって対応すべきだと考えています。

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