積層造形における焼結と溶融とは？主要プロセスの説明

焼結と溶融は積層造形における2つの基本的なプロセスであり、それぞれに異なるメカニズムと用途がある。焼結は、材料の融点に達することなく、熱および/または圧力を使用して材料の粒子を圧縮および結合することを含み、一方、溶融は、材料が固体から液体状態に移行するまで加熱することを含む。焼結は融点の高い材料に特に有効で、選択的レーザー焼結（SLS）や電子ビーム焼結（EBS）などの技術に広く用いられている。一方、溶融は粉末床融合（PBF）のようなプロセスの中心であり、金属粒子を完全に溶融させて高密度で機能的な部品を作成する。どちらのプロセスも積層造形において重要であり、複雑で高性能な部品の製造を可能にする。

キーポイントの説明

焼結と溶解の定義:
- 焼結:材料の融点に達することなく、熱や圧力を利用して粒子を結合させるプロセス。これにより、強度や硬度などの特性が向上した固体部品を作ることができる。
- 溶解:材料が固体状態から液体状態に移行するまで加熱すること。このためには、材料のエネルギー状態を変化させ、完全な液化を可能にするのに十分な熱エネルギーが必要である。
主な違い:
- 液化:融解は材料の完全な液化を伴うが、焼結は融点以下で起こり、液化することなく粒子を結合させる。
- 温度とエネルギー:溶融は、液化のためのエネルギー閾値を達成するために高温を必要とするが、焼結は低温で作動し、しばしば圧力と組み合わされる。
- 用途:焼結は高融点の材料に最適で、金属基複合材料（MMC）やセラミック基複合材料（CMC）のような複合材料に使用される。溶融は、粉末床融合（PBF）のようなプロセスの中心です。
積層造形における役割:
- 焼結:選択的レーザー焼結（SLS）や電子ビーム焼結（EBS）のような技術で使用され、粉末材料を層ごとに選択的に焼結して複雑な3Dオブジェクトを作成する。このプロセスによって材料が強化・結合され、完全に緻密で機能的な部品ができる。
- 溶融:Powder Bed Fusion (PBF)では、金属粒子と基材を完全に溶融させ、高密度で高強度な部品を製造するために不可欠です。
装置とプロセス:
- 焼結炉:A 焼結炉は、熱と圧力を加えて材料を圧縮し、固体部品にするために使用される。このプロセスでは、材料を融点ギリギリまで加熱し、気孔率を低下させ、粒子同士を結合させる。
- ホットプレス焼結炉:真空環境で高温・高圧を利用し、セラミック粉末を固体に溶融する専用炉。炉本体、ヒーター、圧力システム、真空システムなどのコンポーネントが含まれます。
焼結の利点:
- 材料特性:強化材料をマトリックス材料と結合させることにより、強度、剛性、靭性などの特性を向上させる。
- 複雑な形状:従来の製造方法では困難な、複雑で入り組んだ形状の製造を可能にする。
- 高融点材料:融点が高く、溶融が困難な材料に適しています。
溶融の利点:
- フル密度:気孔率を最小限に抑えた完全な高密度部品を実現し、高性能用途に最適。
- 材料の多様性:幅広い金属や合金に使用でき、材料選択に柔軟性を与える。
用途:
- 焼結:MMCやCMCのような複合材料の製造や、SLSやEBSのような付加製造技術に広く使用されている。
- 溶融:航空宇宙、自動車、医療機器などの産業で、高強度で複雑な部品の製造に使用されるPBFプロセスの中心。

焼結と溶融の区別と用途を理解することで、メーカーは材料特性、望ましい結果、用途要件に基づいて適切なプロセスを選択することができます。どちらのプロセスも積層造形技術の進歩において重要な役割を果たし、革新的で高性能な部品の製造を可能にします。

総括表

側面	焼結	溶融
定義	融点以下の熱と圧力を利用して粒子を結合させる。	材料が液状になるまで加熱する。
温度	低温、多くの場合加圧。	液化を達成するために温度を上げる。
液化	液状化せず、粒子は溶融せずに結合する。	材料の完全な液化。
用途	高融点材料（MMC、CMCなど）に最適。	高密度、高強度部品の粉末床溶融（PBF）の中心。
設備	焼結炉またはホットプレス焼結炉	パウダーベッド融合システム
利点	強度、剛性を高め、複雑な形状を可能にする。	完全な密度を実現し、さまざまな金属/合金に対応します。