材料科学が製造業の未来をどのように前進させるか

製品設計と製造を進歩させるために不可欠な業界横断的な分野である材料科学は、イノベーションと創造的思考によって定義される分野です。

微細構造や個々の原子や分子の配置が材料の挙動にどのように大きく影響するか、また、構造を操作して望ましい性能に影響を与える方法など、あらゆるレベルで材料がどのように動作するかに焦点を当てています。

工学、物理学、化学の交差点に位置する材料科学は、新製品の開発において最優先に考慮され、多くの場合、洗練されたユニークな特性をもたらします。

材料科学は、物理的知識と化学的知識の関係と、金属やポリマーから複合材料やナノマテリアルに至るまで、さまざまな材料をどのように操作してより優れた性能を達成できるかを深く掘り下げています。

これには、生産プロセスの効率化、部品寿命の延長、メンテナンスの軽減などの商業的に有益な利点から、スポーツの卓越性や航空宇宙技術を可能にする医療成果の向上やエネルギーと環境の持続可能性の向上など、より基本的な社会的利益までが含まれます。

材料の微細構造に影響を与えると、材料の柔軟性を含むいくつかの顕著な動作が引き起こされる可能性があり、材料がどこまで伸びたり曲がったりできるかが決まります。

また、材料の硬度に影響を与え、耐食性を高めたり、電気や熱を伝導する能力にも影響を与える可能性があります。

後で説明する完璧な例は、形状記憶合金、つまり熱を加えると曲げても元の形状に戻ることができる金属です。

かつては主にプロトタイピングを目的としていると考えられていた積層造形は、航空宇宙、エレクトロニクス、自動車、医療機器などの先進的な製造業界において、スペアパーツ、少量生産、工具の開発に採用されることが増えています。

革新的な製造業の最前線にある産業の中で、医療分野は積層造形の成長を牽引する主要な分野として浮上しています。

積層造形では、いくつかの異なる焼結またはレーザーベースの技術を使用して金属粉末を層ごとに融合することで、従来のサブトラクティブマニュファクチャリング手法では不可能ではないにしても非常に困難な複雑なコンポーネントを構築できます。

積層造形の利点には、設計の自由度やカスタマイズ性の向上、製品の強度と機能の向上、複雑なコンポーネントの組み立て時間の短縮、現地生産、市場投入までの時間の短縮、無駄の軽減、陳腐化の軽減、従来のサプライヤーへの依存の軽減、さらにはユニークな機械的特性と挙動特性を備えた新しい材料。

積層造形部品のほとんどは、従来の合金と新しい合金の両方で作られています。しかし、この方法で製造される合金部品は、鍛造などの従来のプロセスで製造された場合に、同様の合金が提供する同じ品質または同じ機械的特性を保持するものはほとんどありません。

それらの挙動は同様に反応しません。これは主に、積層造形プロセスで急速な溶融と固化が起こるためです。

積層造形業界は、金属合金の特性を維持または改善するという課題に直面しているため、優れた機械的特性を備えた合金部品の開発を可能にする材料科学と工学に注目してきました。

50 年以上前に発見されたニチノール (NiTi) は、多くの産業に革命をもたらした特に価値のある金属合金です。

50% の原子状ニッケルと 50% の原子状チタンでできており、超弾性と温度に応じて形状を変えることができる「形状記憶効果」を可能にするユニークな特性を備えています。この特別な作用により、ニチノールは現在、医療、歯科、航空宇宙産業でますます使用されています。

ニチノールは、ガイドワイヤー、カテーテル、ステントなどの低侵襲医療機器のコンポーネントを作成するための優れた材料です。医療専門家が特に狭い場所を移動する必要がある場合、ニチノールは必要に応じて形状を変える柔軟性と、大きな負担に耐える耐久性の両方を備えています。

動脈を開いた状態に保つために使用されるステントは、おそらくニチノールの超弾性と形状記憶効果が非常に有益である理由を示す最も明確な例です。ステントを体内に挿入すると、低侵襲処置で使用できるように小さなサイズに圧縮できます。

しかし、動脈内の適切な位置に配置されると、拡張して必要な空間を満たし、動脈壁の内側を固定します。この手順は、ステンレス鋼では実行できませんでした。

整形外科手術では、外科医は、患者が柔軟性と可動域を取り戻し、個々の患者の組織に容易に適応できるようにするコンポーネントを必要としています。ニチノールは骨の機械的挙動を模倣するため、これらのコンポーネントに推奨される材料です。

歯科矯正医は、ブレースを一緒に保持し、歯を動かす機能を実行するワイヤーとブラケットも必要とするため、ニチノールの形状記憶はニチノール用途の印刷に特に役立ちます。

ニチノールにはあらゆる利点がありますが、ニチノールで作られたコンポーネントの開発には課題が伴う場合があります。この合金は機械加工が難しい場合があるため、製品設計は通常、単純な構造に限定されてきました。

このような問題には、切削加工における高靱性、高延性、加工硬化などが含まれます。そのため、従来の機械加工では過度の工具摩耗、高い切削抵抗、表面劣化が発生し、多くの場合、切りくず破壊やバリ形成が劣る、ワークピースの品質が低下します。

また、積層造形により生産効率が向上し、設計の自由度が向上しますが、ニチノールを使用して印刷する場合には克服すべき問題がまだあります。

積層造形プロセス中にニッケルが蒸発すると、ニッケル/チタン比が低下し、変態温度が上昇する可能性があります。さらに、材料内部の酸素の取り込みも変態温度に影響を及ぼし、形状記憶に悪影響を及ぼし、目的の用途の全体的な性能に影響を与える可能性があります。

ここで、エンジニアは材料科学の深い知識により、印刷チャンバーの雰囲気が印刷部品に与える影響と、大気条件が最適である必要がある理由を理解することができました。

チャンバー内の雰囲気は酸素を除去するために高純度アルゴンでパージされますが、不完全なパージや少量の漏れにより不純物が依然として存在します。

酸素含有量のごくわずかな変動でも、酸素に敏感な金属や合金（ニチノールを含む）の機械的または化学的特性が損なわれる可能性があり、最終製品の組成に影響を及ぼし、変色や耐疲労性の低下などのマイナスの物理的特性を引き起こす可能性があります。通常、パージ後の残留酸素レベルは約 1,000ppm ですが、理想的な 10ppm 未満には程遠いです。

リンデの材料科学者とエンジニアは過去数年間、これらの大気中の不純物を克服してメーカーに最適な印刷条件を提供する先駆的な技術の開発に専念してきました。

その結果、ADDvance® O2 精度は、ガス雰囲気の継続的な分析を提供し、交差感度を持たずに高精度で酸素レベルを検出します。ユニットは、10 ppm という低い O2 濃度を認識して、パージプロセスを自動的に開始し、必要に応じて清浄な雰囲気を維持します。

ニチノールコンポーネントの印刷では、O2 レベルを低く一定に維持することが重要です。これが達成されない場合、O2 レベルが高すぎるか、部品ごとに機械的特性が異なるため、材料が酸化する可能性があります。

材料科学の専門知識は、印刷結果を最適化するために特別に開発された ADDvance Laser230 などの独自のオーダーメイドのガス混合物の開発にもつながりました。高強度アルミニウム AISi10MG、ニッケル基超合金、チタン、ニチノール、ステンレス鋼を含むさまざまな合金でのテストに成功し、アルゴンとヘリウムを組み合わせて粒子の再付着を最大 30%、粉末損失を最大 20% 削減します。

また、必要なフィルターの交換が少なくなり、メンテナンス時間も節約されます。さらに、ヒュームの発生が軽減され、印刷時間が短縮されるため、印刷プロセスがより安全になり、部品あたりのコストが削減されます。合金に依存せず、格子構造の積層造形に最適です。

このような積層造形技術の進歩により、ニチノールは将来の医療処置の低侵襲化を可能にするだけでなく、これまで手の届かなかった最先端の製品やコンポーネントを製造する可能性も切り開きます。

材料科学は何世代にもわたってさまざまなレベルで洗練されてきましたが、現在では私たちの将来にとって最も重要な学問となる可能性があります。私たちが直面するほとんどの主要な課題では、何らかの形での材料が解決策の中心となる可能性があります。

クリーンエネルギーの未来の構築から、以前は考えられなかった延命手術の可能化に至るまで、材料科学は製造革新を前進させています。

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