Revolusi dalam pembangunan bahan dengan pembuatan bahan tambahan menggunakan peleburan rasuk elektron
－Berlepas dari legasi selama beribu-ribu tahun
TEMUDUGA 10
Akihiko Chiba
Profesor, Pemprosesan Deformasi, Institut Penyelidikan Bahan, Universiti Tohoku
Revolusi dalam pembangunan bahan dengan pembuatan bahan tambahan menggunakan peleburan rasuk elektron
Teknologi pembuatan aditif yang menggunakan Mesin AM untuk menghasilkan bahagian logam. Ia dijangka merevolusikan bahagian untuk pesawat dan roket, yang memerlukan kekuatan dan kebolehpercayaan. Kami bertanya kepada Profesor Akihiko Chiba dari Institut Penyelidikan Bahan di Universiti Tohoku, yang menerajui teknologi pembuatan bahan tambahan logam di Jepun, tentang potensi teknologi ini.
Kelahiran Pemprosesan Logam Baharu
Umat manusia mungkin mempunyai satu lagi kejayaan dengan ini. Ia bukan AI (kecerdasan buatan) tetapi teknologi pembuatan aditif untuk logam.
Pengilangan aditif bermaksud pencetak 3D yang dipanggil (atau Mesin AM). Ia dilahirkan pada akhir 1980-an, untuk kegunaan plastik. Tetapi pada tahun 2000-an, peralatan yang membolehkan pembuatan aditif menggunakan logam juga muncul.
"Apabila saya melihat produk dengan mikroskop elektron, saya dapat melihat bahawa kristal tunggal yang jelas telah terbentuk. Ia boleh dipanggil pemprosesan logam baru. Saya sangat berminat dengan ini."
Profesor itu mengimbas kembali kali pertama dia melihat pembuatan bahan tambahan menggunakan pancaran elektron. Pada asalnya, pembuatan aditif sepatutnya menjadi teknologi pemprosesan yang sesuai untuk pengeluaran mudah prototaip. Walau bagaimanapun, fakta bahawa kristal itu dibarisi dengan cara yang cantik bermakna ia mempunyai kekuatan yang mencukupi. Kemudian, adalah mungkin untuk mengira pembuatan aditif sebagai teknologi pemprosesan logam untuk produk siap.
Profesor itu adalah perintis untuk pembangunan bahan logam dan telah terlibat dalam penyelidikan untuk meningkatkan kekuatan logam dengan "mengecilkan" strukturnya dan menghilangkan ketidakhomogenan unsur. Dia juga terus mencari bahan logam yang sesuai untuk sendi tiruan atau implan.
"Kami mencampurkan unsur logam antara satu sama lain, mencairkannya, menguatkannya, memanaskannya, dan menempanya. Itulah yang dimaksudkan untuk membangunkan bahan baharu", jadi beliau mentakrifkan penyelidikannya.
Walaupun ia cukup kuat untuk tidak mudah berubah bentuk pada suhu bilik, ia boleh dicairkan dan dituangkan ke dalam acuan, dan boleh diproses ke dalam pelbagai bentuk dengan memotong dan membengkok. Selain itu, ia tidak reput seperti kayu. Logam adalah bahan mentah industri yang ideal. Sejak permulaan sejarah, orang telah membuat banyak ciptaan dengan memproses logam. Bermula dengan senjata dan objek suci, logam telah digunakan secara meluas dalam bahan binaan, alat ganti kereta, komputer dan bahagian pesawat. Pembangunan bahan untuk meningkatkan kekuatan dan kemajuan teknologi pemprosesan untuk meningkatkan kecekapan dan ketepatan pemprosesan menjadi asas bagi ciptaan baharu, yang seterusnya mencipta keperluan baharu dan mendorong ciptaan seterusnya.
Pada masa ini, apa yang paling dijangka pasaran ialah "kekerasan". Bahan logam dijangka mempunyai kekuatan yang tahan penggunaan berat dan keras serta menyediakan produk dengan kebolehpercayaan mutlak. Muncung suntikan bahan api dan bilah turbin enjin jet adalah contoh terbaik untuk ini.
"Permintaan pasaran untuk bahan keras adalah sangat besar. Dan kami boleh mencapai kekerasan untuk memenuhinya. Namun, kami tidak boleh gembira hanya kerana kami telah menghasilkan bar bulat keras atau jongkong. Hanya apabila kami boleh memprosesnya menjadi bahagian yang kita boleh meletakkannya untuk kegunaan praktikal. Kadangkala, bagaimanapun, bahan itu terlalu sukar untuk dimesin. Dalam pembangunan bahan, perlu mempertimbangkan bukan sahaja komposisi tetapi juga proses pemprosesan seterusnya." Titanium, sebagai contoh, lebih kuat daripada keluli, dan mempunyai kira-kira separuh daripada jisim keluli, menjadikannya salah satu bahan yang ideal dalam bidang aeroangkasa. Walau bagaimanapun, ia terdedah untuk bertindak balas dengan pelbagai unsur pada suhu tinggi, jadi penempaan dan kimpalan memerlukan proses khas. Titanium cair dituangkan ke dalam acuan dalam persekitaran yang terlindung daripada oksigen dan nitrogen, atau jika itu tidak mungkin, ia dituangkan ke dalam acuan sebagai bahagian yang lebih daripada dua kali lebih tebal, dan kemudian dicukur mengikut ketebalan yang diperlukan. Sememangnya, kos pembuatan meningkat.
"Saya mempunyai banyak masalah dengan titanium", kata profesor itu. Dia berharap pencetak 3D (Mesin AM) dapat mengurangkan tenaga kerja yang terlibat dalam proses pengacuan.
Dari Jangkaan kepada Keyakinan
"Rasuk Elektron menjadikannya mungkin"
Bagaimanapun, pencetak 3D (Mesin AM) yang dilihatnya pada awal tahun 2000-an buat kali pertama benar-benar mengecewakan.
"Ia adalah kaedah membentuk serbuk logam dengan menyinarinya dengan laser. Walau bagaimanapun, apabila saya melihat bahagian yang telah siap, saya mendapati bahawa kekuatannya terlalu rendah, dan walaupun ia baik untuk prototaip, saya merasakan ia akan menjadi lama sebelum saya boleh menggunakannya untuk produk."
Pada masa itu, kepala yang digunakan adalah laser karbon dioksida. Oleh kerana panjang gelombangnya yang lebih panjang, ia memantul dari permukaan logam seperti aluminium, tembaga, dan titanium, mengakibatkan pencairan yang tidak mencukupi. Tindak balas dengan oksigen dan bahan lain semasa pemprosesan suhu tinggi juga diandaikan membawa kepada kemerosotan.
Beberapa tahun kemudian, beliau telah diperkenalkan kepada kaedah pembuatan aditif menggunakan pancaran elektron oleh sebuah syarikat yang berada di persidangan akademik yang sama. Profesor itu dengan tajam bertindak balas dengan perkataan "pancaran elektron".
Sambungan tiruan dengan pembuatan bahan tambahan
"Rasuk elektron ialah teknologi yang digunakan dalam kimpalan dan mikroskop elektron. Ia memerlukan persekitaran vakum. Dalam persekitaran vakum, pemprosesan boleh dilakukan tanpa kesan oksigen dan nitrogen, oleh itu bahan yang akan digunakan mungkin tidak penting, jika ia adalah titanium atau lain, saya fikir".
Di sinilah dia melihat pembuatan bahan tambah pancaran elektron yang disebutnya tadi. Sendi tiruan yang dilihatnya di kilang di Gothenburg, Sweden, cukup kuat dan juga mempunyai keliangan tahap mikron untuk menggalakkan gabungan dengan tulang hidup.
" Komposisi, kekuatan dan kemasan permukaan yang ideal bagi sendi tiruan boleh dicapai tanpa menggunakan acuan. Di atas semua itu, ia adalah revolusioner untuk dapat menyesuaikan proses dengan badan setiap pesakit."
Terpikat dengan kemungkinan itu, profesor membeli peralatan dan menjalankan penyelidikan menyeluruh mengenai ciri-ciri bahan "pemprosesan logam yang benar-benar baru".
Hasilnya, ia menjadi jelas bahawa, jauh daripada menjadi lebih rendah daripada kaedah pemprosesan konvensional, ia mempunyai kelebihan yang tidak pernah dicapai oleh kaedah pemprosesan lain. Itulah "kehomogenan pengedaran bahan".
Biasanya, apabila membuat aloi, logam dileburkan bersama dan kemudian disejukkan untuk membentuk jongkong. Semasa proses penyejukan ini, unsur yang lebih berat tenggelam ke bawah dan unsur yang lebih ringan berkumpul di atas. Dengan cara ini, ketidakhomogenan bahan (=pengasingan) berlaku dalam jongkong. Jika bahan tidak homogen, sifat seperti kekuatan juga tidak homogen. Ini mungkin tidak menjadi masalah untuk jongkong kecil, tetapi untuk jongkong besar dengan sisi beberapa meter, ia mengambil masa untuk memejal dan pengasingan tidak boleh diabaikan. Walau bagaimanapun, ketidakhomogenan ini tidak boleh berlaku dalam pembuatan bahan tambahan di mana serbuk cair dan terbentuk di tempat.
Juga, apabila menuang ke dalam acuan dalam tuangan, bahagian yang dekat dengan acuan disejukkan dengan cepat, manakala bahagian yang lebih jauh mengeras dengan perlahan. Apabila ini berlaku, rongga mungkin terbentuk di tengah.
"Ini biasanya merupakan kecacatan yang membawa maut, tetapi kerana ia tidak dapat dielakkan, kami mempunyai sejarah entah bagaimana menerimanya. Bagaimanapun, ini tidak boleh diterima untuk bahagian kritikal keselamatan seperti turbin enjin jet. Dengan pembuatan bahan tambahan, ini boleh dielakkan."
Ujian kekuatan telah menunjukkan bahawa bahagian yang dikeluarkan oleh pembuatan bahan tambahan adalah lebih kuat daripada bahagian yang ditempa, yang dituang dalam acuan dan kemudian dipukul atau dipanaskan lagi untuk meningkatkan kekuatan. Cabarannya ialah masa dan kos yang diperlukan untuk pembuatan, tetapi "sains dan teknologi sentiasa berkembang menjadi lebih baik. Saya menaruh harapan tinggi agar masalah ini dapat diselesaikan satu hari nanti", harapnya.
Pembangunan Bersama dengan JEOL yang mempunyai pengetahuan tentang pancaran elektron
Profesor Chiba dan Yanagihara, penyelidik
Prototaip Electron Beam Metal AM Machine disokong – projek TRAFAM
Semasa profesor meneruskan penyelidikannya ke dalam pembuatan bahan tambahan, satu lagi bidang yang dia fokuskan ialah pembangunan pencetak 3D logam pancaran elektron domestik (Mesin AM). JEOL, pengeluar mikroskop elektron, telah dipilih sebagai rakan kongsi.
"Mikroskop elektron mengawal pancaran elektron pada skala nanometer. Dengan menggunakan teknologi ini, adalah mungkin untuk membangunkan pencetak 3D (Mesin AM) terbaik dunia. Saya bertanya kepada mereka sama ada kita boleh bekerjasama untuk membangunkan satu."
Justeru, JEOL mengambil bahagian dalam projek pembangunan pencetak 3D Kementerian Ekonomi, Perdagangan dan Industri TRAFAM※, yang bermula pada 2014. Salah satu projek mereka, yang berlangsung sehingga 2018, bertujuan untuk meningkatkan ketepatan pembuatan produk sebanyak kira-kira lima kali ganda, kelajuan sebanyak 10 kali ganda, dan saiz kawasan boleh dibina sebanyak kira-kira tiga kali ganda. Matlamat telah hampir tercapai. Pada masa ini, prototaip itu sedang diuji oleh Prof. Chiba, dan dijangka akan dikomersialkan tidak lama lagi. (pada masa temu duga pada Mac 2021).
"Dalam pemprosesan logam, tuangan, yang melibatkan pembuatan acuan dan penuangan dan penempaan, yang melibatkan pukulan dan pemanasan, adalah warisan yang telah wujud selama beribu-ribu tahun. Bangsa manusia telah menunjukkan bakat yang hebat dalam meningkatkan teknik ini. Tetapi mereka menggunakan jumlah yang besar. tenaga, menelan belanja berjuta-juta yen untuk membuat acuan kecil, dan memerlukan pembuatan yang menyumbang kepada fakta bahawa acuan menjadi lebih kecil apabila ia sejuk dan pengagihan bahan tidak homogen. Ia benar-benar koleksi teknologi analog. Walau bagaimanapun, dengan pembuatan aditif, kini mungkin untuk mengawal struktur mikro aloi logam semasa proses pembuatan. Jika proses pembangunan bahan dan proses pembuatan dan pemprosesan dapat divisualisasikan dengan cara yang bersatu, kita boleh mengatakan bahawa kita sedang memasuki era baru pembangunan material. Saya ingin melihat teknologi ini dilaksanakan dalam masyarakat secepat mungkin." Dia bersemangat.
Pemergian dari beribu-ribu tahun warisan hampir tiba.
Persatuan Penyelidikan Teknologi untuk Pengilangan Aditif Masa Depan
Akihiro Chiba
Profesor, Pemprosesan Deformasi, Institut Penyelidikan Bahan, Universiti Tohoku
1982 Lulus dari Jabatan Sains dan Kejuruteraan Bahan, Fakulti Kejuruteraan, Universiti Tohoku.
1985 Makmal Hitachi, Hitachi, Ltd.
1992 Penolong Profesor, Pusat Pengajian Kejuruteraan, Universiti Iwate.
2002 Profesor, Universiti Iwate.
2006-sekarang Jawatan sekarang.
Minat penyelidikan beliau termasuk nanoteknologi dan pemprosesan bahan / bahan, kawalan struktur mikro, dan kejuruteraan pemprosesan.
Disiarkan: Mei 2021