日本の広島大学の科学研究チームは最近、超硬合金タングステンカーバイド・コバルトの新しい3Dプリンティングプロセスの開発に成功し、極限の作業条件下で使用されるハイエンド工具の製造に新たな道を開くと発表した。このブレークスルーは、内部構造を損傷することなく超硬質複合材料を複雑に成形する方法という積層造形分野における長年の重要な問題を克服します。
研究チームの中心的なアイデアは、従来の意味で完全に溶けるのではなく、制御された条件下で材料が「柔らかくなる」ようにすることです。 「熱線レーザー照射」と呼ばれるプロセスを使用して、炭化タングステン溶接ワイヤーをレーザーで加熱してジャストプラスチック状態にし、非常に高い硬度を維持しながら欠陥を最小限に抑えます。この方法は、切断、穴あけ、土木建設などの分野での硬質工具の製造方法を変えることが期待されています。
一般に金属粉末や溶接ワイヤを完全に溶かすことに依存する主流の金属 3D プリントとは異なり、広島大学のチームはレーザーを使用してタングステンカーバイド溶接ワイヤを正確に加熱し、溶融状態ではなくプラスチックのみに達するようにしました。この温度制御により、高温でよく見られる異常な粒子の成長や成分の分解などの問題が回避され、材料の微細構造が保護されます。多層形成構造間に信頼性の高い冶金学的結合を実現するために、研究者らは印刷プロセス中に中間層としてニッケルベースの合金の層を導入し、全体の構造をより緻密にしました。
テストの結果、この新しいプロセスで製造されたコンポーネントの表面硬度は 1,400 HV を超え、これはサファイアなどの宝石グレードの材料の硬度レベルに近いことがわかりました。このプロジェクトを担当する広島大学大学院先進理工学研究科の丸本恵太助教は、この方法は実は金属材料の成形における新しいアイデアであると語る。現在は主にWC-Coに代表される超硬合金を対象としていますが、原則として他の難削複合材料への適用も期待されています。
炭化タングステンコバルトは、非常に高い耐摩耗性と、摩擦、高温、強い機械的ストレス環境下での安定した性能により、工業用切削工具、ドリルビット、建設工学ツールに広く使用されています。しかし、この「ほぼ壊れない」特性により、従来のプロセスを使用して材料を複雑な形状に加工することが非常に困難になります。現在、粉末を型に充填して焼結するのが一般的ですが、これでは幾何学的構造の複雑さが制限されるだけでなく、材料の大量の無駄が発生します。理論的には、積層造形は構造の複雑さと材料利用の問題の両方を解決できますが、それは材料自体が印刷プロセスに耐えられる場合に限られます。
広島大学チームが提案したソリューションは、溶接と 3D プリンティングの間の「中間の道」をたどります。レーザー出力とワイヤ送り速度を正確に調整することで、元の微細構造を破壊することなく、層ごとに形成できる程度に炭化物を軟化させました。この制御された相変化プロセスは、亀裂を抑制するだけでなく、材料内のコバルト結合相の適度な分布を維持し、硬度と靱性のバランスを維持します。
研究チームはまた、この技術はまだ改良中であり、局所的な亀裂などの残留問題を完全に排除するためにプロセスウィンドウの最適化を続けていることも強調した。次のステップでは、より複雑な形状に対するこの方法の適用性と安定性を検証することに焦点を当てます。これらの技術的障害が解決されれば、将来的には複雑な形状、長寿命、より効率的な材料利用を備えた工業用ツールを積層造形によって製造することが現実になるでしょう。これはエンジニアが長年追求してきた目標でもありますが、超硬質複合材料に直面した場合には実現できませんでした。