積層造形のイノベーターがNSF CAREER賞を受賞 - ビンガムトンニュース

歯磨き粉のチューブを握るところを想像してみてください。ミントやフッ化物の代わりに、金属粒子とポリマーバインダーでできた物質が層状に積み重なり、ロケットのノズル、放射線シールド、MRIの部品のような複雑な形状に作り上げられます。そして、それを鋼鉄よりも硬く、宇宙線や核活動の容赦ない衝撃に耐えられるほどの密度になるまで焼き固めます。

これは空想ではありません。これらのタングステン合金を製造するプロセスは、押し出し成形による焼結補助積層造形（Extruding-based sintering-assisted adding manufacturing）、より口語的には3Dプリンティングと呼ばれています。ビンガムトン大学のFuda Ning助教授に授与された、権威ある全米科学財団（National Science Foundation）のCAREER助成金は、この製造方法の革新と改良のための研究に約60万ドルを投じます。この研究は、宇宙から医療に至るまで、あらゆる産業で使用される、より強度の高い合金や材料の開発につながる可能性があります。

「これらの革新的なプロセスとその根底にあるメカニズムに関する基本的な理解が、実用的なエンジニアリングソリューションにも応用できることを願っています」と、トーマス・J・ワトソン工学応用科学カレッジのシステム科学・産業工学部の教員であり、先端材料・積層造形研究所の所長でもあるニン氏は述べた。「今後、この技術を産業界への応用にどのように応用し、より広範な影響をもたらすか、それが私の将来のキャリア目標の一つでもあります。」

Ning氏の積層造形への関心は、博士課程在学中に取り組んだ研究に端を発しています。CAREER賞の中心となるタングステン合金は、主にタングステン、ニッケル、鉄を組み合わせたものです。この金属は、その強靭性、密度、そして応用範囲の広さから、多くの分野で理想的な材料です。

しかし、現在の製造方法では、脆さから温度への敏感さに至るまで、金属本来の弱点が悪化する可能性があります。そのため、核兵器のシールドや装甲のような過酷な用途に耐えられるほど高密度な部品を製造することが困難になっています。

Ningは、これらの欠点を解消できる革新的な3Dプリント手法の開発に取り組んでいます。簡単に言うと、タングステン合金部品の製造には主に3つのステップがあります。まず、材料を幾何学的なパターンに重ね、次にポリマーバインダーを除去して金属骨格だけを残し、最後に最終的な形状に焼き付けます。

しかし、タングステン合金の場合、単に層状に重ねるだけでは不十分です。金属粒子は密度が高いため、沈み込み、構造のバランスを崩す可能性があります。層間には気孔や隙間ができるため、加熱（焼結）時に問題が生じる可能性があります。さらに、現在の焼結プロセスでは大きな粒成長が起こり、結果として部品の強度や靭性は向上しません。

この密度問題に対するNing氏独自の解決策は、最初から緻密化を念頭に置くことです。金属が均一でなかったらどうなるでしょうか？層間の隙間や空隙をどうやって埋めるのでしょうか？彼の答えは、圧縮ローラーでさらに圧縮することです。

「材料を押し出す際に、印刷ノズルにローラーを組み込んで、堆積した材料をさらに押し出すことができます」と彼は述べた。「これにより、層間の多孔性が大幅に低減され、同時に金属粒子の分布も比較的均一になります。」

金属粒子が互いに非常に密に圧縮されることで、印刷後の初期サンプルである「グリーン」のバインダー除去と密度化を将来的に制御しやすくなります。

では、金属骨格はどうやって作るのでしょうか？Ning氏の解決策は、有害な酸性ガス（硝酸など）やその他の化学溶液を必要とせずに水溶性ポリマーバインダーを除去する独自の方法です。この工程は、グリーンパーツを温水浴に入れるだけの簡単なものです。「私たちは研究室で、後で簡単に除去できるバインダー組成を用いて『歯磨き粉』の処方をカスタマイズしています」と彼は言います。

最後に、焼結中に部品が弱くなるのを防ぐにはどうすればよいでしょうか？タングステン合金の場合、焼結工程は鉄とニッケルの成分を液化させて純粋なタングステン粒子を残すため、最も困難な工程となる可能性があります。材料の密度が十分に高くない場合、焼結中にひび割れが生じたり、場合によっては崩壊したりする可能性があります。

ハイブリッドプロセスを用いて、Ning氏はまず固体焼結と呼ばれる方法で構造の緻密化を図る。「レゴブロックを接着剤でしっかりと接着して組み立てるとしましょう」と彼は言う。「このプロセスと非常によく似ています」。その後、液相焼結が急速に進行する。「この過渡的プロセスでは、粒子が成長する時間は比較的短く、強度が向上します。」

スタンフォード大学の調査によると、ニン氏は2018年にビンガムトン大学に着任し、2021年以降、世界の科学者の上位2%にランクインしています。このCAREER助成金により、彼はNSFから各分野の将来のリーダーおよび学者として選出された研究者の一人にもなりました。

これまでに、彼の研究室からは2人の博士課程学生が卒業し、米国でテニュアトラック教員として採用されています。ニン氏は、自身の成功の継続は、学生たちと、ニューヨーク州立大学のマーク・ポリックス特別教授やニューヨーク州立大学エンパイア・イノベーションのピーター・ボルゲセン教授をはじめとする過去の指導者たちのおかげだと考えています。

「これは私個人の努力だけではありません」と彼は言った。「SSIEスクールのサポート、協力、そしてもちろん、生徒たちの努力もあって、この賞を獲得することができました。」