2018年7月2日月曜日

MIM成形材を使った3D積層装置を考える

金属粉末を使った積層装置はいろいろありますが「粉体」ではなく、練った材料フィードストック(MIM成形材料)を使ったものは現在2種あります。

それは、「Desktop Metal」と「The Metal X」です。 その特徴は2つ
①安価 Arcamが1億円なので これらはたぶん10分の1
②ユーザーは粉体を使わないので環境面・安全面で優位

どちらも根っこは同じで商品開発段階で分裂したようです。
どちらも、棒状(フィラメント)のMIM成形材料をFDM(熱溶解積層)法で積み上げ
MIM工法と同様に、脱脂+焼結を行う方式です。

しいて違いをみつければ、、「Desktop Metal」のフィラメントは、20cm程度の線香状(かなり太い)の束を使うのに対して、「The Metal X」のフィラメントは、長い巻き線になっています。(聞いた話で観ていませんが、MIMフィラメントは、曲げると折れるので巻き線にするには、軟化点温度で恒温保持が必要になるはず・・いまいちな構造かも?)

私も遊びで「MIMでフィラメントを作って」市販の安価な積層装置に挿入して実験したことがあります。しかし、フィラメントを送る機構がギヤのため、フィラメントが削られて材料が正確に押し出せないことと、ノズルから出た材料が積層される前に固化して細い麺ができるだけでした。余熱や保温などが必要であることがわかりましたが、研究資金も無く断念しました、あきらめないで続けていれば・・・・・なんて考えながら、これら新商品の動向を観ています。

見本市で積層サンプル「Desktop Metal」を見ました。密度が甘そうですが、すばらしい造形能力です。MIMでできない造形美、さすが3D積層技術!!

ちなみに「The Metal X」は、 山形県が購入しており(国内初)、5月より試動開始したらしいので、落ち着いたら山形大学へ見に行こうと思ってます。

2018年6月29日金曜日

MIMの変形について考える(2/2)

【問題】MIMの変形を考えた場合、金属粉末は、球形が良いのか、異形の方が良いのか。

「形状を保持するためには異形の方が変形が少ない」と主張する方がいる。
なぜかと問うと、石積効果(お城の石積の石は丸いと崩れる)のためだ。

しかし 私の考えは違う。
 「確かに異形の方が石積効果はある」*1
しかし「球形の方が総合力で勝つ」だ。*2

その理由は
①球形の方が比表面積が小さい(最小)
②粉末のタッピング密度を高くできる
③その結果バインダ量を最小化できる
④その結果 収縮率を最小化できる
⑤形状の保持は粉末間のネッキングを最大化させる
 表面還元、微細粉末配合

【まとめ】
コンパウンドの「成形性をよくすること」と「変形を小さくすること」は反比例の関係にある。最大公約数では「球形、小径、高TD」が良い。機械的強度も考えればこの選択は間違いない。

*1  粒子間摩擦力σ=C/(δD^2) C:定数 δ:粒子間距離 D粒子径 不定形粉はCが球形粉より大きい 具体的数値わかりません
*2  古い論文にこんなものがあった 【金属粉末射出成形の動向 中村秀樹 鉄と鋼 第76年(1990) 第5号 P662】抜粋 「MIM用の原料粉末としては、焼結性からは高充てん密度が得られ、微粒で不規則形状の比表面積が大きい粉末が要求され、一方成形性からはむしろ逆の傾向の粉末が望まれる。最大公約数的には微粒の球状粉末がもっとも適している。」 2018/09/31追記

MIMの変形について考える(1/2)

工程別に考えてみる
【成形工程】
成形品の部位別成形密度の差(密度が低い方向に曲がる)
 ・成形速度、圧力など 金型表面あらさ   ガス逃げの有無
成形品の内部空隙残存

【脱脂】
重力による変形
 ・加熱による軟化強度(骨材の種類 POM,PP,PE・・・) 
 ・スランプ変形

【焼結】
重力による変形
 ・金属粉末形状、金属密度(バインダ%)、粒径、表面酸化物
収縮摩擦変形
 ・収縮率(バインダ%)、セラミック表面あらさ
 ・熱伝導(輻射、伝熱、ガス対流)
 ・スランプ変形

【二次加工】
熱処理変形(変態、残留応力)
加工熱による変形
加工抵抗による変形
クランプ変形