3D

Jun 14, 2023

テルミットは両刃の剣です。 驚異的なエネルギー密度を持ち、点火すると膨大な熱を発生するため、テルミットは線路の溶接に最適です。 しかし、もう少し繊細さを求めている場合もあります。 3D プリンティング テルミットへの新しいアプローチにより、この獣を飼い慣らすことができるかもしれません。

私たちのほとんどは、快適な気候の屋内で安全に座ってはんだ付けを行っています。 私たちが直面する可能性のある最大の危険は、指先を火傷したり、熱収縮を忘れたり、誤ってスモークモンスターを放出したりすることです。 しかし、私たちの家や作業場の外では、金属の極端な接合が数多く行われています。 どこで行われるかに関係なく、現場での溶接やろう付けには多くの機器が必要ですが、その中には扱いにくいものや、過酷な条件下での移動がさらに困難なものもあります。

ろう付けの有用性は、ろう付けをサポートするために必要なハードウェアの複雑な足場によって制限されます。 この制限要因とテルミットの発見により、高エネルギー材料を使用して溶加材を溶かして部品を接合するのに十分な熱を提供する発熱溶接が導入されました。 高エネルギー材料は大量の化学エネルギーを貯蔵し、それを短時間で強制的に放出します。

テルミットは金属酸化物と金属粉末、多くの場合酸化鉄とアルミニウムでできています。 高熱源によって点火されると、アルミニウムが酸化鉄原子内の電子数を減らすため、テルミット化合物は発熱性の還元酸化 (レドックス) 反応を起こします。 熱が増えると反応が速くなり、より多くの熱が発生します。 その結果、溶鉄と酸化アルミニウムのスラグが生成されます。

テルミットの最初の用途の 1 つは鉄道線路の接続であり、現在でもその目的で使用されています。 こちらは、実際のテルミット溶接プロセスの素晴らしいビデオです。

テルミットは非常に高熱を発するため危険ですが、多くの利点があります。 まず、異種金属を接合するのが得意です。 圧着接続は非常に信頼性がありますが、テルミット接続はより強力で、より高い電圧に耐えることができます。 重ね接合の作成に使用するのは簡単です。ワークピースでハンダサンドイッチを作成し、その上にテルミットを置き、マグネシウムリボンまたは花火の入門書である線香花火で点火するだけです。

結果として生じる熱出力はテルミットの質量に直接関係しているため、テルミットは予想どおりに拡張可能です。 伝統的に、テルミット反応は化学組成を変えることによって調整されます。つまり、望み通りの反応が得られるまで、錆を少し増やしたり、アルミニウム粉末を少し減らしたりします。 これは、線路の敷設などの通常の環境では、多少危険ではありますが、まったく問題ありません。 宇宙、海洋、戦場などの過酷な環境では、高熱を使用する危険性がより顕著になります。

最近、ヴァンダービルト大学の機械工学博士課程の学生が、特に厳しい環境において発熱溶接をより安全にすることができる印刷可能な 4D テルミット ペーストを作成しました。

このペーストは、酸化鉄、アルミニウム粉末、石膏粉末から作られています。 石膏パウダーは、水と混合すると粉末を結合して印刷可能なペーストになります。 酒石酸を水に加えたにもかかわらず、プリンター (Ultimaker 2+ に接続された Discov3ry 1.0 ペースト押出機) に酒石酸を通すのに 45 分もかかりませんでした。 実験では、チームはペーストを使用してアルミニウムを溶融し、単純な銅の重ね接合を作成することに成功しました。

ペーストを正確なジグザグや反応性材料構造 (RMA) と呼ばれるその他の形状で印刷することにより、研究チームはテルミット反応をさらに制御できるようになりました。 このようなパターンで分布すると、テルミットはヒューズのように燃焼するプログラム可能な熱源として動作し、本質的に保管、輸送、使用がより安全になります。

これらの RMA の形状は、それぞれがテルミット反応にどのような影響を与えるかを調査するために選択されました。 1 つ目は単純化されたジグザグで、一端が点火したときの伝播速度を測定するために設計された、厳密な直角を持つ細長い S パターンです。