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3Dプリンティングとしても知られる積層造形（AM）は、複雑な構造を層ごとに構築するプロセスである。 これにより、従来は3Dモデルとしてしか可視化できなかったジオメトリーを、迅速かつ省資源で構築することが可能になり、従来のサブトラクティブ・プロセスに代わる選択肢となる。AMはインダストリー5.0で中心的な役割を果たすだろうが、高い表面粗さ、気孔率、収縮効果、層の接着エラーなど、かなりの製造偏差と競争しなければならない。これらに対処する一つの方法は、熱分析が重要な役割を果たすプロセス制御である。複雑でダイナミックな製造工程のため、熱伝導率、熱容量、材料の熱安定性などの熱特性に関する正確な知識は、欠陥のない加工を成功させるために極めて重要です。
主要な積層造形プロセス
AMのワークフローは、デジタルCADベースの3Dモデルから始まり、このモデルは通常、ステレオリソグラフィ・データ・フォーマットstlでさらに処理される。このモデルはレイヤーに切断され、3Dプリンターが以下のようなさまざまな技術を使って1つずつ造形していく：
- 粉末床溶融（PBF）：選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）などの技術は、粉末材料を溶融して固体層を形成する。
- 材料押出（ME）： 例えば、溶融堆積モデリング（FDM）では、熱可塑性プラスチックフィラメントを溶かし、層ごとに堆積させる。
- バインダー・ジェット（BJ）：液体バインダーが粉末材料の層を結合する。
- 材料の噴射：液体材料の液滴を層ごとに硬化させる。
- 光重合（PP）： ステレオリソグラフィー（SLA） 光源で光重合樹脂を硬化させる。
- シートラミネーション（SL）：薄い材料（金属や紙など）の層を切断し、接着または溶接する。
これらの方法は、速度、材料適合性、用途が異なるため、さまざまな業界や使用ケースに適している。
AMにおける熱特性とその重要性
材料の熱特性は、AMプロセスの成功にとって極めて重要である。例えば、粉末材料の熱伝導率と熱容量は、SLMのようなレーザーベースのプロセスにおけるエネルギー入力に直接影響します。熱特性の温度依存性を知ることで、適切な熱管理が可能になり、メルトプールの制御が強化されるため、より優れた欠陥管理が可能になります。高度な熱分析技術は、プロセス条件下での正確な材料特性評価を可能にし、メーカーが適切な材料を選択し、プロセスパラメーターを最適化するのに役立ちます。
積層造形における材料
AMは、以下のような幅広い素材に対応している：
- ポリマー：代表的なものは、PLA（ME）、PA12（PBF）、エポキシ樹脂（PP）、PMMA（BJ）、液状フォトポリマー（MJ）、PVC（SL）である。
- 金属：アルミニウム、Ti64のような医療適合性のあるチタン合金、ステンレス鋼でできた金属合金は、航空宇宙産業だけでなく、工業でも使用されている。
- セラミックス：ジルコニアやアルミナのような材料は、生体活性部品や高温部品に最適です。
- バイオマテリアル：ハイドロゲルとコラーゲンは、医療応用におけるブレークスルーへの道を開いている。
- 複合材料：高度な繊維強化ポリマーは、構造用途で人気を集めている。
これまで、添加プロセスの自由度の高さは、利用可能な材料が限られているために制限されてきた。フィラーや添加剤を取り入れることで、製品範囲を絶えず拡大し、部分的に新しい材料混合物のさらなる熱分析を必要とする新しい用途を開発しようと試みられている。
業界を超えたアプリケーション
AMの多用途性は、航空宇宙、自動車、ヘルスケア、建設など、あらゆる産業に及んでいる。 例えば、こうだ：
- 航空宇宙軽量で複雑な形状は、燃料効率と性能を向上させます。
- ヘルスケアカスタムインプラントと補綴物は、患者の予後を向上させます。
- 建設コンクリートの大規模3Dプリントは、持続可能な建築手法に革命をもたらしている。
熱解析は、極端な温度や機械的ストレス下での動作など、これらのアプリケーションが厳しい要求を満たすことを保証します。
利点と将来性
AMには、従来の製造と比較していくつかの利点がある：
- 複雑な形状：従来の方法では不可能だった複雑なデザインが可能。
- ラピッドプロトタイピング：3Dモデルから迅速にプロトタイプを作成
- 材料効率：必要な材料のみを使用することで無駄を省きます。
- カスタマイズ：特に医療分野では、オーダーメイドのソリューションが容易になる。
- 少量生産のコスト効率少量生産に経済的。
AIがサポートする最適化など、材料科学とプロセスの自動化における将来の進歩は、AMの可能性を引き出し、製造プロセスをインダストリー5.0に対応させるだろう。プリ・ポストプロセスとしての熱分析は、不変の礎石であり続け、新素材や新プロセスの開発に重要な貢献を果たすだろう。
科学的視点
最近の研究では、コンピュータモデリングと熱解析[7]を統合し、デジタルツインを通じてリアルタイムで熱分布をシミュレーション・予測し、プロセス制御とエネルギー消費を最適化することが注目されています。インサイチュまたはインプロセス測定技術として熱解析を製造プロセスに恒久的に統合することは、プロセス理解のさらなる発展に不可欠なステップです。
- https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/additive-manufacturing-explained
- https://2onelab.com/de/lernen/blog/was-ist-additive-fertigung/
- https://www.3ddruck-transmit.de
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/3d-druck/was-ist-additive-fertigung-definition-anwendung-potenzial/
- https://additive.industrie.de/werkstoffe-fuer-die-additive-fertigung/
- https://www.haw-landshut.de/aktuelles/beitrag/additive-fertigung-zu-studieren-waere-mein-traum
- https://www.materials.fraunhofer.de/de/strategische-initativen/materialien-fuer-die-additive-fertigung-.html
- https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/materialien-fuer-die-additive-fertigung-im-ueberblick-393.html
- https://boehl-kunststofftechnik.com/additive-fertigung
- https://www.iph-hannover.de/de/dienstleistungen/fertigungsverfahren/additive-fertigung/
