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米イェール大、FFF方式の金属3Dプリント技術を開発

米イェール大学の研究チームは、金属3Dプリンターメーカー米Desktop Metalと共同で、金属材料をFFF(熱溶融積層)方式で3Dプリントする方法を開発しMaterials Today誌で発表した。

Yale University, 3D printing metals: Fused filament fabrication of metallic glasses

付加製造装置ともよばれる産業用金属3Dプリンターの代表的な方式には、金属の粉末をレーザーや電子ビームで溶融と凝固を繰り返して造形するパウダーベッド方式と溶融した金属材料を積層し凝固させて造形するメタルデポジション方式があるが、いずれの方法も費用がかかり造形速度や精度に課題がある。

金属3Dプリンティングが難しい理由は、金属を成形可能な程度の柔らかさで保つことが難しいためだが、今回、発表された論文によると、研究チームは、アモルファス金属の一種である「金属ガラス(BMG/Bulk Metallic Glasses)」がある一定の温度で過冷却液体状態で安定し、柔らかい状態を継続する性質を利用してこの課題を克服した。

Yale University, 3D printing metals: Fused filament fabrication of metallic glasses

過冷却とは、液体が凝固しないで凝固点より低い温度まで冷却された状態だ。一般的に過冷却された液体は不安定で、外部からの衝撃やその物質の固体片の投入により急に凝固して温度が凝固点まで上昇する。しかし、金属ガラスは、安定した過冷却液体状態を持つため成形しやすい。

同研究チームは、ジルコニウム、チタン、銅、ニッケル、ベリリウムから成る金属ガラスを成形可能な程度の粘度を持つ過冷却液体状態に保ち、直径1mm、長さ700mmの棒状に整形。棒状金属ガラスを加熱したノズル径0.5mmのエクストルーダーに送り込み、押出力10~1000ニュートンで押出成形した。ヘッドの温度は460℃で、押出速度は最大50mm/秒。メッシュ状のステンレス製ヒートベッドの温度は400℃で、造形物は1日で結晶化した。

この「金属フィラメント」はまだ実験的なものだが、実用化すれば付加製造技術を大きく変えることになるだろう。

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