金属マトリックス複合材料 (MMC) の台頭：金属マトリックス複合材料 (Metal Matrix Composites) を使用する場合の優位点、課題、およびソリューション
軽量でありながら堅牢な特性を持つ金属マトリックス複合材料 (MMC) は、特に航空機および自動車部品の製造用途において、業界に変革をもたらし始めています。金属マトリックス複合材料 (MMC) を使用することの長所と短所、および金属マトリックス複合材料 (MMC) を最適に加工する方法について説明します。
今日の航空機産業や自動車産業のエンジニアリング企業にとっての究極の目標があるとすれば、それは軽量でありながら耐久性のある製品を作り出すことです。
これら 2 つの業界にとって、環境維持の持続可能性 (規制と高まる顧客需要を通じて) とコスト効率という 2 つのプレッシャーに対処しなければならないため、これは非常に大きな懸念事項です。
「航空機や自動車の全体的な燃料消費量を削減しながらも、強度、耐摩耗性、耐久性に優れた材料や製品を設計する必要があります」と、Seco の機械加工研究担当シニアエキスパートの Rachid M’Saoubi は説明します。
金属マトリックス複合材料 (MMC) は、軽量化と機械的弾性の間の困難なバランス要素を達成する材料の一種である。本質的には、柔らかい素材と、より硬く強化された要素を組み合わせたものです。一般的な例としては、より柔らかいアルミニウム合金に、より頑丈なシリコンカーバイドやチタンシリコンカーバイドを添加することが挙げられます。
シェフがレシピに取り組むのと同じように、製造企業は、現代の自動車や航空機部品の設計において重要な要素である重量を最小限に抑えながら、耐摩耗性、機械的強度、熱的強度を高める繊細なブレンドバランスを実現しようと努めています。
「航空機産業では、航空機エンジンの動作温度と動作効率の上昇により、エンジンに使用される材料はさらに大きなストレスに耐える必要があります」と M’Saoubi は言います。
Al - シリコンカーバイドや Al-Al2O3 などのアルミニウム金属マトリックス複合材料は自動車産業で使用されており、優れた耐摩耗性と熱安定性により、エンジン、ブレーキシステム、サスペンションシステムに適しています。
エンジンの高温用途に使用されるチタンシリコンカーバイド。これらの複合材料は、セラミック粒子または繊維で強化されたチタンをマトリックス材料として機能させています。これらの材料の有する特性は、優れた強度対重量比、耐高温性、耐腐食性を備えているため、タービンブレード、燃焼ライナー、排気ダクトなどの部品に適しています。
金属マトリックス複合材料 (MMC) は優れた材料の新時代を約束するかもしれませんが、実際の機械加工には特定の加工課題が伴います。ある意味、強みである特性には、弱点も含まれています。
「軽量であるため、加工中に変形しがちです」と M’Saoubi は説明します。
加工歪みの課題は、特に薄壁構造で頻繁に発生し、機械加工と熱処理の両方の段階で細心の注意を払う必要があります。
「たわみや曲狩りを回避して良好に機械加工するには、精密な固定具と特殊な工具が必要です」と彼は付け加えます。
さらに、ほとんどの金属マトリックス複合材料 (MMC) の完成類似形状では、機械オペレータに非常に高い精度要求が求められます。材料が少ないほど、原材料のブロックに比べて成形時の誤差の余地が少なくなります。「通常、完成類似形状の材料は軽量なので、弾性が低く、製品が簡単に曲がってしまいます」と M’Saoubi は言います。
「除去する必要のある材料が少ないほど、ツールの形状に注意を払う必要があるため、ツールの微細な形状が重要になります。」
を加工する場合、適切な切削インサートを選択することが特に重要です。一般的には、鋭い刃先を維持して構成刃先を減らすため、耐摩耗性に優れた微粒子超硬合金や多結晶ダイヤモンド工具などの工具材種が選択されます。
しかし、長い繊維強化チタン合金などの新しい金属マトリックス複合材料 (MMC) 組成の出現により、機械オペレータはさらに微妙な加工アプローチを適用する必要があります。
「長い繊維材料は、異方性など、特定の方向に特性を発揮することができ、異方性では、繊維が特定の方向にのみ整列するため、方向によって動作が異なります」と、Rachid M’Saoubi は述べています。
「複合材料では、よくあるケースです。たとえば、炭素繊維強化プラスチックには、特定の方向に配向された繊維が含まれています。つまり、複数の方向に対して全体的に良好な機械的特性が得られるように、方向を修正する必要があるということです。」
M’Saoubi は、金属マトリックス複合材料 (MMC) の (体積分率 5 ～ 40%) では短い粒子はそれほど問題にならないと述べています。しかし、最良の加工結果を得るには、材料内での粒子のサイズと分布を理解することが最も重要になります。
切削工具技術のパイオニアとして、Seco は切削プロセスを継続的に革新し、柔軟な加工アプローチを採用するとともに、金属マトリックス複合材料 (MMC) などの問題に重点的に取り組んでいる業界や学界のパートナーと連携しています。
Thermacの事例
「私たちは、これらの新しい素材や新素材によってもたらされる課題だけでなく、工作機械の開発によって生じる変革にも目を向けなければなりません」と M’Saoubi は言う。
「工作機械はツールソリューションをより有効に活用できるように開発されており、軽量で製品完成類似形状に近い材料の問題があるため、それらの材料を機械加工する際には切削プロセスを考慮することが非常に重要です。
これは常に進化変革している分野であり、新たな機械加工の課題も生まれていますが、Rachid M’Saoubi は、これらの軽量で耐久性に優れた金属マトリックス複合材料 (MMC) には大きな可能性があると感じています。
「パフォーマンス、効率、環境維持の持続可能性が向上します」と彼は言います。
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