触媒（Catalysts）は、ガスや液体の反応を引き起こしたり、反応を加速させたりするためにリアクター（Reactors）内で使用されます。そのため、表面積（Surface Area）、物質の流れ（Flow）、耐熱性（Heat Resistance）のバランスをとるという独自の要件があります。これまで、エンジニアは混合を促進する構造、堅牢な構造、または簡単に信頼性高く製造できる構造のいずれかを選択する必要があり、妥協を強いられていました。Sinto Advanced Ceramics（旧Bosch Advanced Ceramics）は、この制約を取り除くことを目指し、Formlabsの3Dプリントセラミックスという新しいテクノロジーに注目しました。

2016年以来、Sinto Advanced Ceramicsは3Dプリント技術を用いて、半導体、化学、航空宇宙、自動車産業向けに複雑な幾何学的形状を持つ高性能セラミックス部品を製造してきました。Formlabsのステレオリソグラフィー（SLA）3Dプリンターは、プロトタイプ作成から大量生産まで、一部の部品をコスト効率よく生産し、生産能力を拡張することを可能にします。

Form 4 SLA 3DプリンターでAlumina 4N Resinを使用してプリントされた、化学産業向けの触媒コンバーター（Catalytic Converter）は、Sinto Advanced Ceramicsにとって、高精度で柔軟かつ迅速なアディティブマニュファクチャリング技術の重要性を示す事例です。

化学反応器における触媒の設計要件

触媒コンバーター（Catalytic Converter）は、ガスや液体の反応を引き起こしたり、反応を加速させたりするためにリアクター（Reactors）内で使用されます。この装置は、高温下で機械的負荷（Mechanical Loads）に耐えることができるだけでなく、従来の触媒よりも大きな表面積を持つ必要があります。したがって、重要な課題は「材料」と「構造」の交差点にあります。

より優れた触媒構造は、反応をより速く、より効率的に行い、部品の寿命を延ばすのに役立ちます。これは、化学製造プロセスにおけるコスト削減と持続可能性の向上につながります。

設計面では、触媒コンバーターは広い表面積、良好な物質流特性、および反応物質（Reactants）の効率的な混合能力を持つ必要があります。従来の触媒の問題点は以下の通りです。

1. 押出ハニカム構造（Extruded Honeycomb Structures）は、反応物質の混合を促進しない。
2. オープンセルフォーム（Open Foams）は、表面積が不確かで、明確に定義できない。
3. 充填層触媒（Fixed Beds）は、物質の流れに適さない。

周期的なオープンセル構造（Periodic Open Cell Structure）は、触媒コンバーターの性能にとって極めて重要です。なぜなら、化学プロセスにおける触媒作用を持つ触媒材料の支持構造として機能するからです。

Sinto Advanced Ceramicsのエンジニアは、「ダイヤモンド構造」（Diamond Structure）を開発することでこの問題を解決しました。これは、ダイヤモンド結晶内の原子結合を模倣した、厚さわずか2ミリメートルの支持梁（Struts）で構成されています。ガスや液体はこの多孔質構造を流れ、表面にコーティングされた触媒と接触すると、それらの物質は互いに反応します。

フォーム触媒や充填層触媒（Fixed Beds）とは異なり、このダイヤモンド構造は正確に寸法と詳細が定められた幾何学的形状であり、一貫して再現可能です。そのため、3Dプリント技術での製造に最適であり、各部品の一貫性を確保できます。

概念実証（Proof of Concept）段階では、触媒はプラスチックでプリントされ、後から表面処理が施されました。しかし、その材料の特性では必要な機械的強度が得られなかったため、最終的にAlumina 4N Resinの採用が決定されました。

アルミナの直接プリント

「研究における概念実証（Proof of Concept）の触媒は、通常、プラスチックでベース構造をプリントし、後からAl₂O₃をコーティングして製造されていました。Al₂O₃で直接構造をプリントすることで、より安定した構造を作成し、製造工程を削減することができました。」

Malte Hartmann
Malte Hartmann
開発エンジニア (Development Engineer), Sinto Advanced Ceramics

Alumina 4N Resinは、純度99.99%、相対密度（Relative Density）98.6%の高純度アルミナ工業用セラミックスの直接3Dプリントを可能にします。

この材料は、過酷な環境での使用において特に優れた性能を発揮し、以下の重要な特性を持っています。

1. 優れた耐熱性（Thermally Resistant）
2. 高い硬度（Hard）
3. 耐摩耗性と耐擦傷性（Abrasion Resistant）
4. 高い機械的強度（Mechanically Strong）
5. 化学的反応性が低い、または高い化学的安定性（Chemically Inert）

これらの特性により、Alumina 4N Resinは、さまざまな産業用途で熱、摩耗、機械的負荷、および苛酷な化学物質にさらされる高性能セラミック部品の製造に適しています。

プラスチック製のベース構造の使用と後からのコーティング工程を排除することで、Sinto Advanced Ceramicsは製造プロセスを簡素化し、機械的強度の信頼性を高め、真の量産（Series Production）規模でセラミック触媒を製造できるようになりました。

Alumina 4N Resinでプリントされた部品は、Ceramic Wash Solutionで洗浄した後、乾燥させ、焼成（Firing）されます。

このアルミナ材料はFormlabsがForm Series 3Dプリンター専用に開発したものであるため、収縮率（Shrinkage Rate）を正確に把握することができます。さらに、この材料はForm 4のLow Force Display (LFD)テクノロジーを利用して、高精度で部品をプリントできます。

Sinto Advanced Ceramicsは、公差（Tolerance）を200マイクロメートル (µm)未満に抑えることができます。顧客が要求する公差が設計寸法（Nominal Dimension）の0.5%以内であることと合わせると、これは製造プロセスの精度を示す確かな証拠となります。

1. 寸法 (Dimensions): 直径 8 cm、高さ 10.1 cm
2. 重量 (Weight): 313 グラム
3. 製造: Form 4 3Dプリンター、Alumina 4N Resinを使用

柔軟かつ経済的な生産能力の拡張

Sinto Advanced Ceramicsにとって、アディティブマニュファクチャリング（Additive Manufacturing）技術の採用は、設計の自由度や複雑な幾何学的形状の部品を製造できる能力だけでなく、Form 4とAlumina 4N Resinが経済的な生産ソリューションであることも意味します。

「Sinto Advanced Ceramicsでは、さまざまな製造技術を使用しており、お客様のニーズに応じて最適なソリューションを選択しています。Formlabsのプリンターは、生産能力を柔軟に拡張し、成長に対応できるという強みがあります。システムにプリンターを追加するだけで済みます。この要因は、私たちがアディティブマニュファクチャリング技術を選択した重要な理由であり、Formlabsが革新的で経済的かつ拡張性の高い製造ソリューションのパートナーとしての役割をさらに強化しています。」

Nikolai Sauer
Nikolai Sauer
ゼネラルマネージャー (General Manager), Sinto Advanced Ceramics

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参照元

https://formlabs.com/global/blog/sinto-advanced-ceramics-alumina/