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Dec 05, 2023

ペダルを踏む - 移動中のその他のマテリアル

Con i recenti progressi nel campo dei polimeri, dei metalli e dei materiali compositi,

ポリマー、金属、複合材料の最近の進歩は、製造業界を大胆で、しばしば予想外の方向に導いています。

人類は何千年も前に、最初は銅と金、次に青銅、次に鉄と鋼という形で金属を有用な形状に加工し始めました。 ポリマーの歴史ははるかに短く、わずか 1 世紀強ですが、それ以来、あらゆる点で金属ポリマーと同じくらい重要になっています。

次に、材料の進化における新参者もいます。その中には、強度と剛性、比較的軽量、そして「調整可能性」により、近年ますます人気が高まっている炭素繊維強化プラスチック (CFRP) や金属マトリックス複合材料があります。さまざまな用途に。

材料のスペクトル全体にわたって革新が続いており、用途固有の特性を備えた高度な配合を折衷的に組み合わせて、強度、耐久性、成形性を向上させるとともに、重量を軽減して持続可能性を向上させています。 これまで大きな疑問があったわけではありませんが、現代の材料開発はまさに科学です。

皮肉なことに、この材料の動物園で最も確立されたプレーヤーの 1 つである鉄鋼は、少なくとも自動車の世界では再び先頭に立とうと努力しています。 それは、先進高張力鋼板（AHSS）と超高張力鋼板（UHSS）が、その重量と環境上の利点のおかげで、多くの自動車やトラックの設計で重要な役割を果たしてきているからです。

米国鉄鋼協会 (AISI) によると、いわゆる第 3 世代鋼材は、「他の自動車材料よりも車両の構造重量を 25% も削減し、ライフサイクル全体の CO2 排出量を最大 15% 削減することができる」とのことです。 、 ワシントンDC

AISIの自動車プログラム担当バイスプレジデントであるクリス・クリストック氏は、鉄鋼業界はこれらの高張力鋼の開発に向けていくつかの異なる段階を経験してきたと述べた。 「私たちの中には、1950年代の実質的に破壊不可能なチェッカーキャブを思い出す人もいるかもしれません。そのボディパネルは厚手のカーボンマンガン合金で作られていました」と彼は言う。 「当時は、より厚い材料を使用することで強度を実現していましたが、今では前例のない手法です。」

金属を薄くするための最初のステップは、コロンビウム、チタン、バナジウム、および同様の合金元素の添加であり、これらはすべて良好な延性を維持しながら強度を高めるのに役立ちます。 ただし、すべての改善が純粋に冶金学的に行われるわけではありません。 自動車メーカーはすぐにホットスタンピングプロセスを開発しました。このプロセスでは、わずかに多量の炭素とマンガン（および少量のホウ素）を含む鋼を成形中に1,800°F（982°C）に加熱し、その後金型に入れたまま急冷します。 このプロセスでは強力で高品質の部品が生産されましたが、自動車メーカーはさらに多くの部品を求めていました。

Kristock 氏は、Gen3 鋼は本質的に二相であり、機械的特性を大幅に向上させるフェライト - マルテンサイトの微細構造を備えていると説明しました。

「従来の低炭素鋼の成形耐力は約 210 メガパスカル (MPa)、つまり 30,000 psi です。」と彼は言いました。 「しかし、鉄鋼メーカーは、800 MPa 範囲の降伏強度と 1,180 MPa の引張強度を備えた冷間プレス加工が可能な市販合金の流通を開始しており、一部のホットスタンピンググレードでは、完成品の降伏強度レベルが 1400 MPa まで、または最大 1,400 MPa に達することができます。 「これは軟鋼の 7 倍であり、引張強度は最大 1500 MPa に達します。そして、それはまだ終わっていません。10 倍の強度レベルを持つ鋼が目前に迫っていることがわかります。」

冒頭で述べたように、人類は何千年もの間、鉄を作り続けてきました。 それで何が変わったのでしょうか？ これらの大幅な改善は、新たに発見された合金元素によるものなのでしょうか、それとも大幅に異なる製造方法によるものでしょうか?

答えはどちらでもない、とクリスストック氏は説明した。 「高度なプロセス制御と多くの技術改良のおかげで、製鉄中に行われる熱処理をより適切に操作できるようになりました」と同氏は語った。 「強度と延性の従来の関係を打ち破るような方法で鋼を加熱および冷却することができます。」

しかし、この製鉄の話にはそれだけではありません。 クリスストック氏は続けて、工場オペレーターが AHSS と UHSS を製造できるようにする連続焼鈍炉とガス急冷システムについて説明しました。また、AISI とそのメンバー企業がこれらの高強度合金から製品を製造するために開発した多くの高度な成形および接合方法についても説明しました。強度鋼。 簡単に言うと、製鉄業界は活況を呈しており、自動車メーカーやその他の市場セグメントに高品質の製品を提供するために必要な合金を提供し続けています。

QuesTek Innovations LLC は、新規合金の開発と展開において豊富な経験を持っています。 イリノイ州エヴァンストンにあるこの会社は、25 年以上にわたり統合計算材料工学 (ICME) サービスを提供しており、まもなく独自の材料ツールキット、モデル、データベースをクラウドベースの Software-as-a-Service (サービスとしてのソフトウェア) 経由で提供する予定です。 SaaS) のサブスクリプションは、商標ブランド名 ICMD (integrated computational Materials design) で提供されます。

しかし、ソリューション アーキテクチャ ディレクターの Keith Fritz 氏が説明したように、QuesTek のサービスは開発だけではなく、製品固有の材料の最適化や製造サポート (同社が「材料の同時実行」と呼ぶ) も含まれています。

「航空機の着陸装置を設計する必要があるとしましょう」とフリッツ氏は言う。 「最初に行うことの 1 つは、必要な性能特性を備えた合金を探し、次にそれらの仕様に基づいて部品を設計することです。場合によっては、適切な性能を実現する材料を見つける前、または場合によっては開発する前に製品を設計することもあります。あなたの要件を満たします」と彼は続けました。 「材料の並行性の考え方は、これらのプロセスの両方が同時に開始されるということです。材料と製品を相互に並行して開発できます。これは、これまでの部品の設計方法とは大きく異なります。」

この例としては、米陸軍とのプロジェクトが挙げられます。このプロジェクトでは、ヘリコプターのローター ギア トレインに使用されている従来の 8620 および 9310 鋼を、「曲げ耐性と接触疲労耐性の向上、コアの強度の向上、良好な強度の組み合わせ」を示す新しい合金で置き換えようとしました。靭性、高温耐性、優れた焼入性を備えています。」

これは難しい注文ではありましたが、QuesTek はそのソフトウェア ツールとエンジニアリングの専門知識を活用してフェリウム C64 鋼粉末を開発し、下請け業者のベル ヘリコプターとシコルスキー (ロッキード マーチンの一部) が陸軍の要件を満たすプロトタイプ部品を 3D プリントできるようになりました。

米国海軍との同様のプロジェクトにより、要求の厳しい防衛およびエネルギー用途の幅広い用途に適した同様に丈夫で硬化可能な合金であるフェリウム N63 が誕生しました。 しかし、おそらく QuesTek の成功事例の中で最もよく知られているものは、Apple Watch を着用している人であれば誰でも心に刺さることでしょう。 ここで、メーカーは QuesTek から「特定の技術とノウハウを取得」し、それを使用して、強度と表面硬度が向上し、優れた加工特性や、Apple の収益性と顧客満足度を最大化するのに役立つその他の特性を備えた新しいグレードのアルミニウムを開発しました。 。

QuesTek の材料開発責任者である Thomas Kozmel 氏は、「当社は顧客と協力して既存の材料を最適化することにも取り組んでいます。」と付け加えました。 「業界の多くの人が知っているように、合金の仕様は一般に非常に広範囲にわたります。つまり、技術的には同じグレードであっても、あるロットの材料は別のロットよりも機械加工性が劣る可能性があります。たとえば、私たちは最近、航空宇宙産業のクライアントの開発を支援しました。インコネル 718 の改良された配合は、一般的な仕様よりも特定の用途に適しています。」

QuesTek のプログラム マネージャー兼上級材料設計エンジニアである Pin Lu 氏もこれに同意しました。 「デジタルツインと考えられる私たちのモデルは、鋳造、熱処理、後処理、表面仕上げなど、合金の製造中に通過する可能性のあるさまざまなプロセスをシミュレートできます。これらのプロセスが及ぼす影響をモデル化できます。材料特性について研究し、生産現場で何が起こっているかをシミュレーションし、「化学反応にさらにホウ素を加えたらどうなるでしょうか?」などの質問をします。 このような質問にデジタル モデルで答えることで、メーカーは試行錯誤の開発時間を大幅に節約し、材料テストのコストを節約できると同時に、より良い結果をもたらすことができます。」

製品の革新は、新しい材料にまったく依存せず、既存の材料をより深く理解することに依存する場合があります。 ミルウォーキー ツールも同様で、まさにこの目的のためにデータ収集と高度なクラウドベースの分析に多大な労力を投資してきました。 これは、ウィスコンシン州ブルックフィールドに本拠を置き、機械、電気、配管業界向けの現場ソリューションを提供する同社が、イノベーション センターにある幅広いプロトタイピングおよびテスト機器を活用していると、先進エンジニアリング部門のシニア マネージャー、マックス サワ氏が説明したとおりです。 。

「当社の高度なエンジニアリング グループには、プロトタイピングとテスト用のカスタム マシンを設計および構築するフロントエンド チームがあります」と澤氏は述べています。 「これらの機械にはデータを収集するセンサーが装備されており、それを使用して製品の性能を分析し、より適切な設計上の決定を下します。それは、金属が熱処理にどのように反応したかについての情報である可能性があります。あるいは、熱処理を繰り返した後にオーバーモールドされたポリマーがどのように機能したかについての情報かもしれません」サイクル。

「結局のところ、この種の情報は、新製品を設計するエンジニアにとって非常に重要です。この情報をより早く入手できれば、より迅速に反復して製品を市場に投入することができます。」と彼は続けました。

これらの取り組みの注目すべき成果の 1 つは、ミルウォーキー ツールのエンジニアが、超硬歯を自社のソーザル トーチ ブランドの鋼鋸刃に接着するより効果的な方法を発明したことであり、これにより工具寿命が 50 倍延びたと報告されています。 同社はレシプロソー用の Nitrus Carbide ブレードも開発しました。これにより、鋳鉄や厚い金属のより高速な切断と長寿命が約束されます。 「これらはいずれも、この種の材料開発を加速するプロトタイプ作成プロセスからデータを収集した直接の結果です」と澤氏は述べました。

John Barnes は、製品開発、特に 3D プリンティングで製造された製品について、多くのことを語ります。 ピッツバーグの積層造形 (AM) コンサルティング会社、The Barnes Global Advisors の創設者兼 CEO である彼は、数年前にレーザー粉末床融合 (LPBF) で使用される金属およびポリマー粉末の一貫性を高める必要性を認識していました。 - エネルギー蒸着 (DED)、超音波粒子蒸着 (コールド スプレー) AM 法。

ビジネスパートナーの Chris Aldridge 氏と協力して、Barnes 氏と彼のチームは、従来の噴霧法をバイパスし、市販の棒材を使用し、室温で実行される機械的な粉末生成技術を採用した革新的な技術を開発しました。 2017年、二人はそのプロセスを市場に投入し、ピッツバーグに本拠を置くメタル・パウダー・ワークス（MPW）を設立した。バーンズ氏はこの会社を、合金開発者ではなく「合金実現企業」と表現している。

「現在、金属粉末には 16 種類の異なる AMS 仕様がありますが、棒材には 2,000 以上の仕様があります」と Barnes 氏は述べています。 「当社のプロセスでは、棒材から粉末への直接変換が可能であり、冶金学的特性を変えることなく変換できるため、3D プリント部品の認証がはるかに簡単になります。

「さらに、噴霧化によって得られるものよりもはるかに高い収率と優れた粉末の一貫性を提供し、粒子の形態とサイズ分布の制御が強化されています」とBarnes氏は主張しました。 「私は通常、革命的とか破壊的といった言葉を避けるようにしていますが、他のプロセスでは私たちのようなことは実現できないと言わざるを得ません。」

いずれにせよ、これらの小さな金属片が溶けたり、融合したり、砕けたりするだけであるにもかかわらず、粒子の形状がなぜ重要なのでしょうか? Barnes 氏は、すべての AM テクノロジーには独自の要件があるが、パウダー ベッド プロセスとコールド スプレー プロセスに共通するのは、一貫性を第一に求めることです。これは MPW プロセスが本質的に提供する属性であり、特定の条件に合わせて生産を調整する能力も備えています。密度を達成するための製造プロセス。

ガス噴霧によって生成されたほぼ球形の形状は、わずか 1 か 2 箇所で隣接するものと接触し、互いに融合する能力が制限されます。 MPW の DirectPowder プロセスではそうではありません。このプロセスは、数値制御を通じて、半球状、円盤状、さらには糸状の粒子を幅広いサイズで生成するように「プログラム」できます。

「また、私たちがサイドカーと呼ぶものや、商標登録されている時間ごとのパウダーなど、使用時にオンデマンドで直接材料を生産することもできます」とバーンズ氏は付け加えた。 「これにより、安全性への懸念が軽減されます。保管の必要がほとんどないため、粉末によくある酸化の問題が解消されます。そして、はるかに安価です。今日の 7075 アルミニウムの棒が 1 ポンドあたり約 5 ドルであるのに対し、噴霧粉末のバケツ 1 個のコストは 80 ドルです」したがって、会計士もこのソリューションに満足するはずです。」

コスト削減は別として、Metal Powder Works という会社は最良の名前ではなかったかもしれません。 バーンズ氏は、同社が金属棒を粉末にするのに忙しすぎて、ポリマーについてはほとんど何もできていないことを認めているが、このプロセスはここにも適用できると述べた。 これは、ポリマーに詳しいサミュエル・レグイザモンにとって素晴らしいニュースです。 実際、アルバカーキに本拠を置くサンディア国立研究所のこの上級科学者に会うと、「サムはその名前で、最先端のポリマー材料が勝負だ」と迎えられるかもしれません。

MPW と同様に、Leguizamon は 3D プリントに焦点を当てています。 そして、彼の時間の多くは、直接インク書き込み (DWI) 処理のためのスラリーと樹脂の開発に費やされていますが、彼はすべてのポリマーを等しく愛しています。 新しい材料の発明をどのように行うのかと尋ねられたとき、レグイザモン氏の答えは驚くことではありませんでした。「それは用途によって異なります。ポリマーは熱や放射線を放散する必要があるのでしょうか? 機械的要件は何ですか? 分子は架橋しますか?」

「これらの質問にできるだけ多く答えたら、最初の配合を作るのに必要な原材料を合成するか、できれば購入する時期です。その後、そのさまざまな特性を分析し、必要に応じて調整し、すべてが可能な限り望ましい状態に近づいたら、いくつかのテスト パーツを印刷します。これは多くの場合、非常に反復的なプロセスです。」

現在、レグイザモン氏はこのプロセスにソフトウェア ツールを使用していませんが、これは彼や材料開発業界の他の人々にとって「間違いなく大きな関心領域」であると述べました。

これは、Citrine Informatics Inc. の CEO、Greg Mulholland の耳には音楽です。彼は、CAD や CAE などの 3D 設計ツールが物理製品の幾何学的設計に革命をもたらしたが、そのソフトウェアはまだ誰も開発していなかったという前提に基づいて会社の設立に貢献しました。これらの製品に使用される実際の材料を設計するために必要なツール。 それは 10 年前のことであり、カリフォルニア州レッドウッドシティに拠点を置く同社は、この残念な状況を変えるべく順調に進んでいます。

「過去 10 年半にわたり、マテリアルをデザインするためにソフトウェアを使用することについて多くの話題がありましたが、これまで、有意義な方法で実際にそれを実現した人は誰もいませんでした」とマルホランド氏は認めました。

歴史的に、メーカーは既存の材料に微調整を加えて新しい材料を開発してきました、と彼は説明しました。 企業は、低温でより良く粘着する接着剤や、少し硬めまたはより延性のある合金を必要とする場合があります。これらは、試行錯誤を経て、知識に基づいて作業し、知識に基づいた推測を行うことにより、今説明した反復プロセスを使用して製造されます。

「共同創設者と私は、材料データと機械学習を統合するプラットフォームを作成しました。これにより、ユーザーは金融業者で言うところの what-if 分析を実行できるようになります」とマルホランド氏は述べています。 「自分自身にこう言うことができます。『もし私の材料特性の目標が X なら、その結果を達成するためにどのようなプロセス パラメーター、合金元素、または化学調整を利用できるでしょうか?』 その後、これらの変数を当社のソフトウェアに組み込んで、望ましい結果が得られるまで物理的にではなく仮想的に繰り返すことができます。」

シトリンのマーケティングディレクター、ジョシュ・タッパン氏は、多くのメーカーが性能、消費者の好み、規制の圧力の間で葛藤に直面していると指摘した。 パーフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質 (PFAS) は悪名高い例の 1 つです。 これらの多用途コーティングは、熱、油、水に耐性があります。 これらは衣類から調理器具に至るまであらゆるものに含まれていますが、疾病管理センターによると、PFAS は時間の経過とともに蓄積する永久化学物質でもあり、さまざまな悪影響や重篤な健康影響を引き起こす疑いがあるとのことです。

「BPA [ビスフェノール A] と同様、これまで使用してきた材料は、今後あまり許可されなくなるでしょう。そのため、化学メーカーや金属メーカーは、次の配合をより迅速かつコスト効率の高い方法で行う必要があります。生成資料だ」と彼は言った。 「幸いなことに、私たちは今日、文字通り個々の原子を操作できるところまで、これまでよりも材料構造を制御できるようになりました。問題は、これらの新しい構造をどのように評価し、長時間のテストを行わずにその性能特性を決定するかということになります。」 」

マルホランド氏もこれに同意し、材料業界は多目的最適化が決して得意ではなかったと付け加えた。 「誰もが軽くて強いことを望んでいます。両方を単独で達成するのは簡単ですが、2つを組み合わせるのは非常に困難です」と彼は笑いました。

マルホランド氏は、青色発光ダイオードに使用される半導体材料である窒化ガリウムを製造する会社で働いていました。 当時、この材料はさまざまな用途に最適なソリューションであると考えられていました。

「当時、ワールドカップのサッカー選手のドリルビットや電球、すね当てに最適な素材は何かと尋ねられたら、私は窒化ガリウムと答えただろう」とマルホランド氏は振り返る。

最近の進歩により、より多くの代替手段が登場したため、それはもはや当てはまりません。 「当社のソフトウェアを使用すると、企業は従業員の専門知識を活用しながら、その専門知識を、慣れ親しんだ領域を超えた領域に拡張することができます」とマルホランド氏は打ち明けました。 「率直に言って、私たちは最近、運用要件の世代交代を経験しており、社会として達成する必要がある目標を達成するために新しい素材を必要としているからです。それが私たちがテーブルにもたらすものです。」

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