軽量金属で作られた複雑な部品を製造できる押出成形は、建物から電気自動車に至るまで、あらゆるものにとってますます重要な製造プロセスとなっています。太平洋岸北西部国立研究所 (PNNL) が特許を取得せん断支援加工および押出 (ShAPE)この技術は従来の押出成形を一歩超えたもので、従来の製造では達成できない並外れた特性を備えた材料やコンポーネントを作成することができます。

このたび、次世代の ShaPE マシンが PNNL に到着し、ShAPE テクニックの実力を証明するのに役立ちます。現在稼働中の「ShAPE 2」は、研究者がより大規模で複雑な押し出しを作成できるように設計されており、ShAPE 技術の現実世界の多くの産業用途への大きな一歩となります。

「これにより、私たちは実際の建物や実際の車で使用できる領域に入ることができます」と、ShAPE の共同開発者であり、PNNL の主任材料科学者であるスコット・ウェイレン氏は述べています。「ShaPE 2 では、実際の部品のニーズを満たすプロファイルをすでに作成しています。たとえば、直径 2 インチ、壁厚 0.1 インチのチューブを押し出しました。これはルーフ レールと同じプロファイルです。フォードF-150に乗っています。」

Shape の入門

押出金属部品は、金属のビレットを金型の開口部に押し込むことによって作られます。伝統的に、金属押出成形では、ダイに押し込む前に外部熱を使用してビレット全体を軟化させます。

ShaPEの場合はそうではありません。代わりに、ShAPE は、ダイの近くにある回転ヘッドと、反対側の非常に強力な油圧プレスを組み合わせています。油圧プレスがビレットをダイに向かって押し込み、回転ヘッドが摩擦を生成して、ダイに入るビレットの部分だけを加熱して軟化させます。

このアプローチにより、材料特性を向上させる型破りな化学的性質と微細構造を備えた部品の製造が可能になるだけでなく、使用済みのアルミニウムスクラップの押出成形も可能になり、従来のリサイクル方法と比較して、体内エネルギーと二酸化炭素排出量を 90% 以上削減できます。

より難しく、より良く、より速く、より強く

7 年前にデビューした第一世代の ShaPE マシンは、幅広い研究をホストし、自動車部品から超伝導体に至るまでのユースケースに対する ShAPE の適用可能性を実証してきました。ShAPE 1 が次々とテストを成功させ続ける中、研究者たちは次のステップであるスケールアップを計画しました。

ShaPE 2 に入ります。新しいマシンは Bond Technologies によって設計および製造され、昨年末に PNNL の応用エネルギー研究所に納入されました。この機械はすぐに最初の成功した押し出しを生成しました。

「ShAPE 1 と比較して、ShAPE 2 はモーター出力が 3 倍、トルクが 4 倍、ラム力が 50% 増加します」と Whalen 氏は説明しました。

重要なのは、はるかに大型の ShaPE 2 マシンにより、より大きな押出成形品の製造が可能になることです。ShaPE 1 では直径 1/2 ～ 3/4 インチの範囲の押し出ししか作成できませんでしたが、ShAPE 2 では最大 1.5 インチまたは 2 インチの直径の押し出しが可能になります。

他の多くの用途では、ShAPE 2 はおそらく約半分のスケールでコンポーネントを生産でき、工業的に押出成形されるコンポーネントの多くは直径約 4 インチを必要とします。

「PNNLでは、私たちのビジネスは研究開発です」とホエーレン氏は強調した。「しかし、スケールアップやその他の製造上の問題に対処することで、ShAPE のような技術が実験室から現実の世界に確実に導入されるようになります。ShAPE 2 は、約半分の規模で、これまで以上に産業上の関連性が高まります。これは、利害関係者や経営陣が十分に規模が大きいため、恩恵と可能性を信じてください。」

押し出しサイズの増加により、ShAPE 2 では、研究者が押し出しに複雑なウェビングなどのより複雑なフィーチャを作成できるようになります。

金属にペダルを踏みます

ShAPE 2 に関して尋ねられる最初の質問は、技術をスケールアップすることによって、押出物の微細構造や材料特性に予期せぬ変化が生じるかどうかです。

PNNLの研究エンジニア、スコット・テイソム氏は、「まだ証明されていないが、同様の動作条件を与えれば、ShAPE 1とShAPE 2は同様の微細構造を生成すると予想している」と述べた。

研究者らは、ShAPE 1 と ShAPE 2 の出力を相互にテストすることにより、完全な産業規模の ShaPE マシンがどのように拡張されるかを予測する予定です。

「これは新しいプロセスであり、どのようにスケールされるかを理解していると思いますが、ShAPE 1とShAPE 2の限界を押し上げることで、実験データを使用して数学的予測を検証する必要があります」とWhalen氏は述べた。

初期のテストでは、円形の押し出しとより複雑な押し出しの両方について、ShAPE 2 の上限をテストし、使用済みのアルミニウムスクラップなど、より困難な材料を導入することに焦点を当てます。

「私たちはアルミニウムのスクラップからより大きな部品を作り、それを仕上げ会社に送って、リサイクルされた材料が陽極酸化、塗装、粉体塗装などにどのように反応するかを確認できることに興奮しています」とウェーレン氏は語った。

「建物にとっても、建設業これらのコーティングが、ShAPE 押出アルミニウムスクラップに対しても、従来の押出一次合金に対する場合と同様に機能することを示すことが重要です。」

ShAPE 2 に関して行われる初期研究のほとんどはマシン自体の評価に焦点を当てますが、他の研究プロジェクトでも年末までにこのマシンの使用が開始される予定です。最終的に、ShAPE 2 は、建築、自動車製造、産業の脱炭素化などのアプリケーションにわたる研究分野に使用される予定であり、それらのプロジェクトの一部は ShAPE 1 の研究から移行されます。

すべての形状とサイズ

一方、Shape 1 はどこにも行きません。「ShAPE 1 は今でも素晴らしいプラットフォームであり、科学を行うために今後も使い続けます」と Whalen 氏は述べています。

チームはまた、ShAPE 1をよりリスクの低い足がかりとして使用して、プロセスの科学的理解を深め、最終的にはShAPE 2に研究をスケールアップしようとしている研究者を支援したいと考えている。

「珍しい金属や押し出しが難しい合金を使用するつもりで、どの温度で実行するかをまだ考えている場合は、より大きなものに移行する前に、より小さくて安価なもので試してみましょう。」とテイソム氏は言います。言った。「誤ってダイを破壊してしまった場合、ShAPE 2 の高価なダイではなく、ShAPE 1 の安価なダイが使用されます。そして、私たちは限界に挑戦する研究開発組織なので、場合によってはダイを廃棄してしまうことがあります。それは単なる問題です」研究の一環です。」

前進する

「ShaPE 2 により、コラボレーション能力が向上します」と Whalen 氏は述べています。「潜在的な研究パートナーと話すと、彼らは私たちが行っていることに感銘を受けますが、いつも尋ねます。『本格的な部品への道はどうなっているのですか？』これは、ShAPE がスケールアップできることを人々に理解してもらうための一歩です。」

そしてもちろん、チームは追加の ShaPE マシンに関するアイデアをすでに念頭に置いています。これらの将来の反復は、それほど大規模なものではないかもしれません。代わりに、特殊な材料からさまざまなタイプの押し出しを生成したり、新しいタイプのコンポーネントを活用したり、より具体的なサービスを提供したりすることに焦点を当てるかもしれません。産業用途。

「国立研究所の研究者として、私たちの目標の 1 つは、スケーリング、スループット、材料特性など、業界で採用される技術のリスクを軽減することです。」ホエーレンは言った。「私たちはできる限り多くの地域のリスクを回避しようと努めています。」