積層造形に最適化された4つのカスタム材料：スカルマロイ、NewGen SLM、高強度アルミ、メタマテリアル

積層造形の成長に伴い、企業と研究者は様々なサブテクノロジー、アドオン、プリント最適化手法を開発してきました。しかし、使用材料自体を最適化することも、最適化されたオブジェクトを得る有力な手段です。これにより、精密な制御により理想的特性を実現した、3Dプリンティング専用の様々な材料が登場しています。

これらの材料の一部は、3Dプリンティングのために、あるいは3Dプリンティングと共に非常に具体的に設計されており、この技術に新規の特性と機能をもたらします。最も有望な材料をいくつか紹介します。

スカルマロイ（Scalmalloy）

写真提供：Beamler

「3Dプリンティング専用に開発された最初のオリジナル材料」と謳われるこの合金は、スカンジウム（Sc）、アルミニウム（Al）、マグネシウム（Mg）を融合させたものです。元々はエアバスグループ傘下のAPWorksによって開発・特許取得されました。金属積層造形材料として、スカンジウムの存在により主に高強度といったユニークな特徴を呈します。

強度面では、従来のアルミニウムとその多くの派生合金を上回ります。チタンよりも強く、かつ軽量で耐食性にも優れます。ただし、希少金属であるスカンジウムを含むため、材料コストは高くなります。スカンジウム価格は変動が大きく、kgあたり4,000〜20,000米ドルで、主な産地は中国とロシアです。

スカルマロイは、高耐久・長寿命が求められる部品に最適です。そのため自動車産業とロボティクスで人気が高まり、ヒートエキシチェンジャーなどに採用されています。予想通り、その起源である航空宇宙産業でも極めて重要な役割を果たしています。

NewGen SLM材料

写真提供：TU Graz

この金属は、オーストリアのグラーツ工科大学（TU Graz）によって、窒化ケイ素をブレンドして開発された、金属AM専用のステンレス鋼です。NewGen SLM材料と呼ばれるこれらは、造形プロセス中の反応をより制御可能にし、表面仕上げの改善とサポート構造の最小化を実現します。316Lステンレス鋼は世界中の複数産業で最も一般的な材料の一つですが、NewGen版は選択的レーザー溶融（SLM）での造形に特化して改良された特性を持ちます。

研究者たちは、複数のブレンドで改質ステンレス鋼の様々なバージョンをテストしました。機械的特性と気孔率のテストを通じて、焼結時の歪みが、窒化ケイ素とホウ素の厳密な制御により低減可能であると結論づけました。これらの知見は、学術論文「Improving the Dimensional Stability and Mechanical Properties of AISI 316L + B Sinters by Si3N4 Addition」で発表されています。

ホウ化物は焼結体の密度を高めますが、鉄系材料とはうまく融合せず、粒子周囲に望ましくない層を形成しがちです。窒化ケイ素がこの問題を緩和し、より良い表面仕上げを導きます。研究者たちは、金属粉末を機械的・最終用途特性の向上だけでなく、NewGen SLM材料がより少ないサポート構造で済むよう改質しました。これにより、改質ステンレス鋼は従来の金属プリントよりさらに軽量化できます。

現在、研究者たちはこの材料の商業化を進めており、同様のメリットを得られる他の材料への研究拡大も図っています。彼らの研究は注目を集め、スピンオフフェローシッププログラムと連携して本格的なスタートアップ設立を目指しています。

3Dプリント高強度アルミニウム合金

https://www.youtube.com/watch?v=8YwlenA4bdg

HRL Laboratoriesによって発明されたこのアルミニウム株は、最近商業化され、アルミニウム協会に登録されました。積層造形された高強度アルミニウムは、同協会初の積層造形合金登録となり、アルミニウム粉末に登録番号7A77.50、造形合金に7A77.60Lが付与されました。

この材料は、積層造形能力によって様々な新材料が登場したことを受け、協会の新しい積層造形合金登録制度の幕開けとなった2019年2月の最初の登録合金です。これは、プリント可能な最初の積層造形合金となりました。

化学的には、HRLのナノ粒子機能化技術を用いて開発されました。この材料はジルコニウムベースのナノ粒子を使用していますが、この材料生産モードの真の利点は、従来「プリント不可能」とされていた幅広い他の金属・合金にも応用可能な点です。その結果、HRLは他の金属を3Dプリンティングの世界に導入する様々な方法も模索しています。

結晶学、メタマテリアル、世界最高剛性のプラスチック構造

写真提供：ETH Zurich/MIT

新しい材料配置が、必ずしも新材料の発見や化学組成の変更を意味するわけではありません。既存材料の新たな使い方が、非凡な結果を生むこともあります。これは、材料を特定の方法で構造化することで驚異的な結果を生む、様々な材料構造で実証されています。

MITとETH Zurichの共同プロジェクトが一例です。研究者たちは、ナノスケールでプラスチックの構造を再配置することで、物理学が許す理論限界に極めて近い、最高の剛性対重量比を持つ材料を開発しました。その結果、比較的低重量ながら非常に剛性の高い材料が誕生しました。本質的には、微細構造の配列を調整するだけで、可能な限り最も剛性の高い材料を開発したのです。

この剛性対重量比は、高強度医療インプラント、航空機、レーシングカーにとって極めて重要です。前述の通り、主眼は使用材料そのものではなく、マイクロスケールでの構造にあります。トラス、ガーダー、アーチの複雑なパターンを用いて、研究者たちは強度と耐久性を最大化しました。

同様に、シェフィールド大学とインペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者たちは、プリント耐久性向上のための新規微細構造の活用を研究し、合金の新しいプリント手法の創出を目指しました。結晶学的メタマテリアルの活用では、コンピュータ原子モデリングを用いて、これまでに見られなかった構造を創出しました。これらの結晶構造は、粒界のない連続的で未破断の構造をもたらし、最終プリントに優れた耐損傷性、強度、靭性を与えます。

このような材料は、ノードとストラットの周期的配列を持ち、従来の固体では発生しない特性の組み合わせを示しながら軽量です。結晶材料に見られる強化メカニズムを用いて、堅牢で耐損傷性に優れた材料を開発することで、切削加工では決して実現できないプリント可能な材料を創出したのです。

同様の発想は4Dプリンティングの分野にも浸透しており、マイクロ構造が非常に繊細にバランスを取られ、平均的な材料をロボットや機能的アイテムに変える様々な配列が研究されています。3Dプリンティングは、微細なディテールを設計目的に合わせて調整し、製造と研究の世界で新たな形態の創造を促進する能力を提供することがよくあります。