ゲルベース金属3Dプリンティング技術を学ぶ

 米国のスタートアップ 3D Architech Inc. が開発したゲルベースの金属3Dプリンティング技術（GEMM: Gel-enabled metal manufacturing）について少しまとめておきます。同社 の共同創業者兼CEOである 成田 海（なりた かい）氏 が中心となって開発された、従来の金属3Dプリンターの常識を覆す「高精度」と「低コスト」の両立を目指した画期的な手法です。3D Architech, Inc.　

《造形方式》 金属イオンを含む特殊なゲル（感光性樹脂）を、安価な光造形3Dプリンターで硬化させた「ゲルの造形物」を作り、その後、脱脂（有機成分除去）、焼結・還元（無機化・金属化）を経て、ゲルを金属へと置き換える。

《超微細造形》 従来の金属プリンター（MEX,BJT）の解像度が100μm程度であるのに対し、10μm以下という極めて微細な構造（マイクロラティスなど）の造形可能。

《汎用プリンターの活用》 高価な装置を必要とせず、1,000ドル程度の市販の光造形機（SLA/DLP）でも造形可能。

【珈琲ブレイ句】3D Architechの積層する金属材料は、金属粉末ではありません。分子レベルの金属塩を造形するAM技術です。

目指すターゲットは、髪の毛よりも細い構造を組み合わせた「マイクロアーキテクチャ（微細格子構造）」です。10μm単位の極薄の壁や、複雑に絡み合う微細な管路など、他の方式では物理的に不可能な領域を狙っています。もしかすると、競争相手は、MEMSかもしれません。

MIMやMEX、BJTは部品を造形するものですが。3D Architechは、単なる「形」を作るだけでなく、金属の微細構造によって熱交換効率や触媒性能などの物理的な限界値を引き上げる金属の「機能」を再定義する可能性があります。

現在、造形物は純金属が主流ですが、数種類の金属塩を使うことで合金も可能らしいです。日本人の考えた新技術に期待しています。

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4605低合金鋼の論文を読んで（カーボンコントロール）

ガスアトマイズ4605粉末、溶媒脱脂系バインダーを使ったMIMフィードストックによる焼結体の焼結密度、硬度、強度を特性とした研究論文（ 2019年）です。

(99+) The Effect of Powder Loading and Binder System on the Mechanical, Rheological and Microstructural Properties of 4605 Powder in MIM Process

論文の要旨

4605低合金鋼のMIMにおけるレオロジー特性および機械的特性に及ぼすの粉末充填量の影響を調査した。バインダーはパラフィンワックス（PW）、ポリプロピレン（PP）、カルナバワックス（CW）、ステアリン酸（SA）を異なる割合で配合した2種類を比較した。粉末の配合量は、55、60、65vol％の３種の配合とした。焼結した引張試験片について、引張強度、硬度、密度、レオロジー特性を測定した。その結果、粉末配合量の増加に伴い、引張強度、硬度、密度が増加することがわかった。また、主鎖ポリマーの割合が高いほど、最終部品の機械的特性が向上することが観察された。最適な配合は、PW 55wt％、PP 25wt％、CW 15wt％、SA 5wt％の原料に、粉末を65vol％添加した系であった。試験片はMPIF 50引張試験用形状、ヘプタン溶媒脱脂、二次加熱脱脂・焼結（Ar雰囲気）。

【珈琲ブレイ句】粉末配合量が多いほど引張強度、硬度、密度が高くなっているのは納得できます。　　一方、PPの割合が多いほど、同様に引張強度、硬度、密度が増加するという結果には注意が必要だと感じました。この主要因は炭素量で、PPの割合が多いほど炭素量が多くなっていることは論文から読み取れます。4605鋼なのにCが1wt％になっているものもあります（増加した残留炭素が0.5wt%程度ある）。　また、引張強度が高くなれば、衝撃強度は低くなっている可能性があり4605鋼の用途としては不適切な可能性があります。　

　低合金鋼において、プロセス設計が不十分な結果として生じた「炭素増加」をポジティブに評価するのは、再現性の観点からも非常に危険です。「炭素による強化」を謳うのであれば、本来は「脱脂・還元を完璧に行い、カーボンフリーにした後に、狙った量のグラファイトを添加して制御したデータ」と比較すべきです。現状のデータは「バインダーが抜けきらなかった副作用を、引張強度、硬度、密度の数値向上で正当化している」という側面が強いのではないでしょうか。つまり　「カーボンコントロールに課題がある」という論点が見落とされている？ということです。

いろいろ学べる、すばらしい論文です。論文から二次脱脂・焼結プログラムFig.2を添付しておきます。MIM指南書P127　図4.22と比較してみてください。なぜバインダーPP類が炭素として残留したのか？

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マルチモーダル粉末配合による高タップ密度化

 バイモーダル粉末配合の概念図を見つけたのでアップします。大きな粉末と小さな粉末を配合することで、配合粉末の嵩密度は、それぞれ単体の嵩密度より高くなり、配合比のどこかに最高密度があることがわかります。

【珈琲ブレイ句】この事例は、２種類（バイモーダル）ですが、３種類だとトライモーダルになり「大豆に小豆を混ぜて、その隙間に胡麻を入れる」イメージです。　広義で、２種類以上をマルチモーダル粉末配合と呼んでいます。

ここで、注意することは、１種類には分布があることです。つまり「峰」なので、実際の配合は上図のように単純なモデルではありません。最大タップ密度となる配合比は、実験で見つける必要があります。

関連BLOG：二峰分布混合の威力

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