添加剤材料におけるイノベーションの変革力

積層造形 (AM) がゆっくりではありますが着実に主流の生産環境に浸透し、あらゆる種類の製品の設計、製造、納品の方法が変化しています。 先端材料の進化は、物理的特性が改善された最終用途の部品や製品を強化し、より低コストでより多くの利用を可能にするだけでなく、より迅速な納品と廃棄物の削減を可能にすることで、業界をさらに進化させています。

調査会社 SmarTech Analysis によると、ポリマー AM 技術は今後 10 年間で多くの産業に導入され、印刷物の生産額は 2030 年までに年間 260 億ドル近くに増加すると予測されています。調査をまとめるにあたり、業界ウォッチャーはプロトタイプにわたる AM ポリマー部品に注目しました。 、工具、工具、および自動車、航空宇宙、消費財、エネルギー、医療を含む 8 つの業界セグメントにわたる最終用途の生産部品を提供しています。

特に、3D プリンティング用の添加剤材料の開発に関わるポリマー科学は、従来の製造用の材料の製造に使用される科学よりも本質的に複雑です。 さらに、今日の 3D プリンティング プラットフォームには、CNC や射出成形に見られる厳格なプロセス制御が欠けていることが多く、これがさらなる困難をもたらします。

添加剤材料の軌跡を追跡することは、既存および新しいポリマーの組み合わせからより大きな価値を引き出す新たなプロセスと密接に結びついています。 両方を総合的に見ることが、新たな製造革新をもたらしながら市場のギャップを埋める鍵となります。

AM の採用が加速するにつれて、実証済みの使用例や性能検証だけでなく、新しく改良された材料に対する需要も高まります。 現在の最大の制約の 1 つは、より優れた性能の材料の入手可能性を高める必要があることです。 ポリマーサイエンスを優先する企業は、より広範な用途での使いやすさを向上させる付加価値のある汎用樹脂を改良することで、真っ先に市場を破壊する企業になるでしょう。

最も頻繁に使用されるプラスチック材料の中で、ポリアミド (ナイロンとして知られる)、ABS 熱可塑性プラスチック (アクリロニトリル ブタジエン スチレン)、PLA (ポリ乳酸)、および PC (ポリカーボネート) 材料の開発が進行中です。 これらのそれぞれには、ポリマーの特性、性能特性、印刷適性の点で、明確な長所と短所があります。

すべてではないにしても、最も一般的な添加剤材料の多くは、ポリマー配合と配合プロセスを改良することで強化できます。 形態や粒子の結晶化を制御するには高度に専門化されたスキルが必要であり、化学者や科学者は新しい材料の配合を作成して反復する必要があります。

たとえば、ナイロン 6/6 は、射出成形用に最も広く使用されている市販ナイロンの 1 つです。 ナイロン 6/6 は結晶性の高いポリマーであるため、収縮率が高いため、通常、比較的小さな部品の製造に使用されます。 ただし、結晶化速度を変更できるため、この安定した実証済みの材料の使用を拡張して、より大きなフォームファクターを製造することができます。

同様に、ポリカーボネートなど、通常は非晶質であるポリマーに結晶化を誘導する能力により、粉末床溶融カテゴリー内で人気の 3D プリンティング プラットフォームである選択レーザー焼結 (SLS) を使用してこれらの材料を製造する道が開かれます。 。 その結果、射出成形されたポリカーボネート部品の高い靭性と透明性を、より軽量なフォームファクターで示す非晶質ポリカーボネート材料が生成されます。

ポリマーのバリューチェーンは、化学物質の生成から配合、フォームファクター変換、流通および製造方法にまで及び、3D プリンティングから従来の成形、押出、フライス加工、粉体塗装に至るまで多岐にわたります。 あらゆる種類の製造において添加材を最適化することは簡単なことではありません。

そのため、ポリマー科学者はコストを削減しながら材料の強度、延性、耐久性、耐薬品性および耐湿性、重量、持続可能性を向上させるために未知の領域に参入しています。 これには、材料の作成と形成のアーキテクチャと方法を変更するために、化学、ポリマー工学、製造プロセスの慎重な調整と調整が必要です。

機械的、物理的、熱的特性を微調整するには、材料の迅速な反復と継続的な微調整が必​​要です。 すべての製造プロセスと同様に、開始点はアプリケーションであり、その後にビジネス ケースが続きます。 これらの重要なパラメーターは、材料と製造プロセスの選択とともに、設計方法を決定するのに役立ちます。

AM の世界では、より手頃な価格で軽量、高弾性率の複合材料への需要と、以前は積層プロセスに統合することが難しすぎた材料を印刷する機能への需要によって、ポリマー革新の躍進が推進されています。 - 既存のポリマーに属性を追加することで、難燃性や耐性などの特殊な機能を備えた新しいクラスの加工材料が誕生します。 ガラス繊維、鉱物フィラー、炭素繊維、またはナノチューブを含む強化材料。

静電気散逸 (ESD)、EMI シールド、または導電性材料に対処するために、導電性属性を含めることも増加しています。 潤滑された材料の必要性は、部品の寿命を強化するために紫外線に安定な材料を追加するとともに、部品の摩擦と磨耗を軽減するためにも不可欠です。 これらの属性の多くは、従来の製造および 3D プリンティング アプリケーションでの材料の有用性を拡張するように設計されており、またその逆も同様です。

物質的な持続可能性を高める機会は、正当な理由から重要性を増しています。 まず、企業は自社の材料がどこから来たのか、つまり石油化学製品なのか、それともバイオベースなのか、ということをもっと気にし始めています。 PLA は非常に使いやすく、トウモロコシ、サトウキビ、テンサイパルプなどの再生可能資源をベースにしています。 最も広く使用されている添加剤材料の 1 つであるポリアミド 11 (PA 11) は、ヒマシ油から作られるバイオプラスチックです。 対照的に、もう 1 つの一般的に使用されるプラスチックである PA 12 は、ABS などと同様に石油化学ベースの材料です。

再生可能資源から作られた材料は二酸化炭素排出量を削減できますが、必ずしも生分解性であるとは限りません。 下流側は非常に重要であるため、部品や製品が寿命に達した後、材料をリサイクルまたは堆肥化できるかどうかを検討することが重要です。 使い捨てプラスチック製品の場合、材料の種類が大きな懸念事項となるため、家庭で堆肥化可能、生分解性、海洋分解性の材料の使用に大きな関心が集まっています。 生分解性ポリマーと添加剤材料の配合における継続的な研究開発は、厳密な温度、酸素、および水のバリア特性を満たす最適な方法に焦点を当てています。

AM 用のフィラメントを作成するために使用済みリサイクル材料を使用する場合も、プロセスとコストを考慮する必要があります。 リサイクル材料に固有の欠陥や欠陥を補うための形態制御は、特に厳しい機械的要件を扱う場合には複雑です。 幸いなことに、AM で使用される粉末やその他の材料を再利用およびリサイクルする取り組みはそれほど複雑ではないため、より急速に成長しています。

製品の軽量化と製造の現地化によって二酸化炭素排出量を削減できることは、AM の主な利点です。 部品表 (BOM) を統合するために、より少ない部品で非常に複雑な幾何学的形状を作成できるようになりました。 さらに、科学者たちは、ポリマー鎖全体に充填剤を適用してより強くて軽い材料を作成する方法を改善するために、さまざまな化学反応を実験しています。

好例は炭素繊維フィラーの働きで、完全なポリマー鎖全体に結合して繊維へのより高い荷重伝達を可能にします。 これにより材料強度が大幅に向上し、使用する材料が少なくなります。 最終的には、コスト、廃棄物、エネルギー消費を抑えて、より強力で軽量な部品や製品を製造するために必要なリソースが少なくなります。

軽量化は航空宇宙、自動車、ヘルスケア業界における AM アプリケーションの主要な促進要因となってきましたが、現在では家庭用電化製品においても軽量化が加速しています。 ローカリゼーションは、サプライチェーン管理を合理化し、物流コストを削減し、二酸化炭素排出量を削減するために、最終顧客の近くで商品を製造および配送する機会を提供するため、もう 1 つの重要な推進力です。

新しい環境に優しい材料も、既存の材料に比べて環境に大きなメリットがあるとして関心を集めています。 一例は、PA 12 の耐久性と強度を実現できる革新的なポリケトンですが、一酸化炭素から作られており、環境からこの大気汚染物質を除去するのに役立ちます。

他の革新的な材料は、人々や地球に潜在的に有害な有毒ガスや排出物を削減および/または排除できます。

高度に専門化された材料科学、高度な配合、および配合プロセスの使用は、添加剤材料の理想的なレシピに不可欠な要素です。 ただし、ゴムが道路に接続されるのは、さまざまな 3D プリンティング プラットフォームで最適なパフォーマンスを発揮するために、これらの材料を検証および認証する能力です。

機械的性能や寸法精度などの重要な特性において、切望される信頼性と再現性を確保するには、厳密なプロセス制御が必須です。 さまざまなプロセスやプラットフォームにわたるシステムの統合は、シームレスなテスト、品質検査、後処理を確保しながら生産量を増加させるために不可欠です。

この点で、AM 業界は、高度な自動化、インテリジェントなプロセス制御、機械学習、データ分析を使用する従来の製造業に比べて遅れています。 洗練された製造ラインは生産プロセスを継続的に監視および調整し、最高品質の製品を保証します。 AM から同様のレベルの一貫性と品質を達成するには、継続的な投資とイノベーションが必要です。

業界を前進させるには、添加剤の材料とプロセスに関する内部仕様と業界認証が必要です。 ルールはまだ作成中ですが、ベストプラクティスと次のステップの開発に情報を提供し、導くのに役立つ、材料イノベーションセンターや卓越した製造センターから発せられた多くの例があります。

積層造形と従来の製造における経験と専門知識を持つ組織は、両方の長所を提供する準備ができています。 これらの専門家は、顧客が添加剤の変革力を活用できるようにするだけでなく、製造ソリューションの理想的な組み合わせを適用して、コストを削減し、無駄を減らしてより優れた性能の部品や製品を生産することもできます。

Luke Rodgers は、Jabil (フロリダ州セントピーターズバーグ) の研究開発担当シニア ディレクターです。 詳細については、ここを参照してください。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2023 年 5 月号に初めて掲載されました。

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