アルミニウム合金の3Dプリント
目次
3Dプリント用アルミニウム合金は、高い強度対重量比、優れた熱伝導性、耐食性など、いくつかの有益な特性を備えており、自動車、航空宇宙、消費財、その他の産業にわたる3Dプリント用途に適した材料となっています。
選択的レーザー溶融（SLM）と直接金属レーザー焼結（DMLS）は、アルミニウム合金粉末に使用される主な3Dプリンティングプロセスです。粉末粒子は、複雑でカスタマイズ可能なコンポーネント形状を構築するために、高出力レーザーを使用して層ごとに融合されます。
種類 アルミニウム合金の3D印刷
| 合金 | 構成 | 印刷工程 | プロパティ | アプリケーション |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | アルミニウム(Al) + ケイ素(Si) (10%) + マグネシウム(Mg) | レーザー粉末床融合（LPBF） | - 強度、延性、靭性のバランスが良い。 | - 航空宇宙部品（軽量構造） - 自動車部品（ブラケット、エンジン部品） - 電子部品パッケージング |
| AlSi7Mg (F357) | アルミニウム(Al) + ケイ素(Si) (7%) + マグネシウム(Mg) | LPBF | - AlSi10Mgと同様の特性を持つが、強度は若干低い。 | - 優れた強度対重量比を必要とする汎用用途 - 流体処理部品 - ブラケットおよびハウジング |
| Al2139 | アルミニウム（Al）＋銅（Cu）（4%）＋マグネシウム（Mg） | LPBF | - 高い強度と耐疲労性 - 優れた加工性 | - 高い強度を必要とする航空宇宙部品 - 自動車部品（サスペンション部品） |
| 6061 | アルミニウム (Al) + マグネシウム (Mg) (0.9%) + ケイ素 (Si) (0.6%) + 銅 (Cu) (0.3%) | LPBF（限定）、バインダージェッティング（BJ） | - 優れた耐食性 - 優れた機械加工性と溶接性 - 適度な強度 | - 総合的な特性が要求される試作品や機能部品 - 建築部品 - ヒートシンク |
| 7075 | アルミニウム（Al）＋亜鉛（Zn）（5.6%）＋マグネシウム（Mg）（2.5%）＋銅（Cu）（1.6%） | LPBF（限定）、電子ビーム溶解（EBM） | - 非常に高い強度対重量比 - 優れた耐摩耗性 - 溶接不可 | - 高強度、低重量が要求される航空宇宙部品 - スポーツ用品（自転車フレーム、野球バット） |
| スカルマロイ | アルミニウム (Al) + スカンジウム (Sc) (4%) + マグネシウム (Mg) (6%) | LPBF | - 7075を超える卓越した強度対重量比 - 優れた耐食性 - 高い耐クラック性 | - 高性能航空宇宙部品 - 軽量装甲を必要とする防衛用途 |
構成 アルミニウム合金の3D印刷
| 合金指定 | 一次合金元素 | 追加要素 | プロパティ | アプリケーション |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | シリコン（10%） | マグネシウム (0.3-0.5%) | * 優れた鋳造性（鋳造用途から適応） * 良好な溶接性 * 高い強度と靭性 * 良好な耐食性 | * 一般用途 * 自動車部品 * 航空宇宙部品（非重要部品） * ブラケットおよびハウジング |
| AlSi7Mg (F357) | シリコン（7%） | マグネシウム (0.3-0.5%) | * AlSi10Mg に類似した特性を持つが、強度はやや低い * 優れた鋳造性 * 良好な溶接性 * 良好な耐食性 | * AlSi10Mg と同様の用途で、もう少し軽量化が望まれる場合によく使用される * エンジン部品 * 流体処理部品 |
| AlSi12 | シリコン（12%） | * 高強度および耐摩耗性 *良好な鋳造性 *中程度の溶接性 *AlSi10MgおよびF357と比較して低い耐食性 | * ウェアプレート * ギア * 砂型鋳造用途（材料に精通しているため、3Dプリント部品の出発点としてよく使用される） | |
| スカルマロイ | スカンジウム (4.0-4.4%) | マグネシウム (0.3-0.5%) | * 優れた強度対重量比 * 優れた耐食性 * 優れた溶接性 * 最適な特性を得るには熱処理が必要 | * 航空宇宙部品（高性能） * 自動車部品（重量が重要） * 防衛用途 |
| EOSアルミニウム Al2139 AM | 公表されていない（アルミニウム・マグネシウム・シリコンの可能性が高い） | * アディティブ・マニュファクチャリングのために特別に開発された * 高温（200℃まで）でも優れた強度 * 標準的な鋳造合金に比べて加工性が向上 * 最適な特性を得るには熱処理が必要 | * 高温性能を必要とする航空宇宙部品 * 自動車部品 * 熱交換器部品 |
3Dプリンタブルアルミニウムの特徴
| 属性 | 詳細 |
|---|---|
| 表面仕上げ | パウダーの付着により、半粗い段差のある表面形状が残ることがある。 |
| 精度 | 一般的に±0.1%までの高い寸法精度が可能。 |
| 異方性 | 方向的に弱い機械的特性が観察された |
| 多孔性 | 最適化されたSLMパラメータで達成された<1%の気孔率 |
| 合金の柔軟性 | 多くの2XXX、5XXX、6XXX、7XXXグレードが印刷可能 |
の応用 アルミニウム合金の3D印刷
| 産業 | 代表的なアプリケーション |
|---|---|
| 航空宇宙 | 航空機ダクト、熱交換器、構造用ブラケット |
| 自動車 | カスタムブラケット、サポート、ヒートシンク、ツーリング |
| 建築 | 軽量パネル、装飾格子、小さな彫刻 |
| メディカル | 手術器具、インプラントなどのファームウェア |
| エレクトロニクス | ヒートシンクなどの放熱装置 |
| ディフェンス | リードタイムを短縮した少量部品 |
積層造形用アルミニウム粉末の仕様
| パラメータ | タイプ/範囲 |
|---|---|
| 材料 | AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6, AlSi12, AlSi9Cu3 |
| 粒子径 | 25～65ミクロン |
| 粒子形状 | ほぼ球形、衛星も可 |
| 見かけ密度 | 約2.67g/cc |
| 流量 | <30 s/50 g（ASTM B964による |
| 残留酸素 | <0.4%（高張力用 |
主要サプライヤー アルミニウム合金の3D印刷
| サプライヤー | 専門分野 | 主要製品 | アプリケーション | 追加サービス |
|---|---|---|---|---|
| エレメンタム3D | 革新的なパウダー | ガスアトマイズ・アルミ合金粉末（従来型と分散強化型を含む | 航空宇宙、自動車、防衛 | 材料開発、アプリケーションエンジニアリング、印刷パラメータの最適化 |
| APワークス | 高性能合金 | レーザービーム溶解（LBM）用のスケーラブルなアルミニウム・シリコン・マグネシウム（AlSiMg）合金 | 自動車部品、ロボット、産業機械 | 積層造形設計（DFAM）コンサルティング、後処理サービス |
| SLMソリューション | 老舗メーカー | AlSi10MgおよびScalmalloyを含む、選択的レーザー溶解（SLM）プロセスに最適化されたアルミニウム合金 | 医療用インプラント、航空宇宙部品、熱交換器 | 機械の販売とサポート、特定合金のパラメータ開発 |
| EOS GmbH | マルチプロセスの互換性 | レーザービーム溶解（LBM）と電子ビーム溶解（EBM）の両方の技術に対応するアルミニウム合金 | 航空宇宙部品、家電製品、医療機器 | 機械の選定やプロセスの最適化に関するコンサルティング、トレーニングプログラム |
| ヘガネス | 金属粉末の専門知識 | サイズと形態を厳密に制御したガスアトマイズ・アルミ粉末 | 熱交換器、自動車部品、電子機器筐体 | 粉末の特性評価と試験、新合金開発の協力 |
| ロイヤル合金 | 多様な合金ポートフォリオ | スカンジウムやリチウムの添加による性能向上など、幅広いアルミニウム合金粉末を用意 | 航空宇宙部品、防衛用途、高性能ヒートシンク | 材料選択ガイダンス、印刷適性試験、カスタムパウダー開発 |
| ノルスク・ハイドロ | 持続可能な生産 | 最小限の環境負荷に焦点を当てて製造されたアルミニウム合金粉末 | 自動車部品、建築部品、家電製品 | 材料のライフサイクルアセスメント（LCA）データ、持続可能な製造方法のサポート |
| エクスワン | バインダージェッティング技術 | バインダージェッティング積層造形（BJAM）用に特別に調合されたアルミニウム合金 | 自動車用プロトタイプ、砂型鋳造用金型、工業用工具 | 積層造形用設計（DFAM）サービス、BJAM部品の後処理専門知識 |
| DMG森精機 | 統合ソリューション | アルミニウム合金パウダーと互換性のある金属3Dプリンター | 金型、医療用インプラント、航空宇宙部品 | 機械の販売とサービス、金属積層造形ワークフローに関するトレーニング |
| カーペンター アディティブ・マニュファクチャリング | 特殊合金 | 高強度重量比と耐食性を向上させたアルミニウム合金 | 舶用部品、石油・ガス機器、化学処理用途 | 材料選択サポート、アプリケーション・エンジニアリング・サービス、プロトタイピング支援 |
3Dプリントアルミニウムの長所と短所
| 特徴 | 長所 | 短所 |
|---|---|---|
| デザインの自由 | 比類なき複雑さ： 従来の方法では不可能だった複雑な格子構造、内部溝、軽量化が可能。設計者が限界を押し広げ、高性能な部品を作成することを可能にします。 ラピッドプロトタイピング： 設計の迅速な反復とテストを可能にし、開発時間とコストを削減します。 | サポート体制： 複雑な形状の場合、複雑な支持構造が必要になることが多く、後処理に時間がかかり、不要な表面テクスチャが生成される可能性があります。 |
| 材料特性 | 優れた強度対重量比： アルミニウムは重量と強度のバランスがよく、航空宇宙や自動車など軽量化が重要な用途に最適です。 耐食性： 多くのアルミニウム合金は優れた耐腐食性を誇り、特に過酷な環境にさらされる部品に適しています。 | 異方性： 3Dプリンティングの層状の性質は、材料の強度が印刷方向によって異なることを意味する、異方性特性につながる可能性があります。このため、用途によっては設計の調整が必要になることがあります。 多孔性： 印刷工程によっては、材料内に小さな空隙や細孔が存在し、機械的特性に影響を与える可能性があります。熱間静水圧プレス（HIP）のような後加工技術により、これを軽減することができます。 |
| 製造業 | リードタイムの短縮： 3Dプリンティングはオンデマンド生産を可能にし、複雑な金型を必要とせず、試作品や少量生産部品のリードタイムを最短にする。 材料の無駄を最小限に抑える： 3Dプリンティングの加法的な性質は、従来の減法的な製造方法と比較して、材料の無駄を大幅に削減する。 | 高コスト： アルミニウムを3Dプリントする技術や設備はまだ比較的高価であるため、従来の方法に比べて大量生産の費用対効果は低い。 ビルドタイム： 複雑な金属部品の印刷には時間がかかり、生産速度全体に影響を与える可能性があります。 |
| 後処理 | 表面仕上げ： 3Dプリンティング技術の中には良好な表面仕上げを提供するものもありますが、粗さは一般的な懸念事項です。用途によっては、機械加工、研磨、サンドブラストなどの後処理技術が必要になる場合があります。 熱処理： 特定のアルミニウム合金は、最適な機械的特性を得るために、印刷後に熱処理が必要な場合があります。 | 追加費用と時間： 後処理は、部品全体の生産時間とコストを増加させる。 |
| アプリケーション | 航空宇宙 軽量で高強度の部品を複雑な形状で作ることができるため、3Dプリントアルミニウムは、熱交換器、ブラケット、構造部品などの航空宇宙用途に理想的です。 自動車： 軽量化は自動車産業における大きな関心事です。3Dプリントされたアルミニウム部品は、ホイール、エンジン部品、軽量シャーシ構造などの部品に使用できます。 メディカルだ： 生体適合性のあるアルミニウム合金は、カスタムメイドの補綴物やインプラントの製作に使用できる。 | 高応力部品の限定的な用途： 異方性と多孔性の可能性があるため、3Dプリントアルミニウムはすべての高応力用途に適しているとは限りません。慎重な設計と材料選択が重要です。 |
よくあるご質問
Q: アディティブ・マニュファクチャリングに最適なアルミニウム合金はどれですか？
A: AlSi10Mgは最も広く採用されているアルミニウム合金で、流動性、強度、硬度、耐食性に優れ、様々なプリンターとの互換性があります。
Q: 造形方向は、3Dプリントしたアルミニウム部品の特性に影響しますか？
A: はい、垂直方向に製造された部品は、層ごとに製造されるため、水平方向に製造された部品に比べ、20-30% より低い引張強度と降伏強度を示すことがあります。また、層に対して平行または垂直に荷重をかけるかどうかによっても、機械的性能は異なります。
Q: アルミニウムの特性を向上させる固溶化熱処理にはどのようなものがありますか？
A: AlSi10Mgのような添加物合金のT6熱処理（可溶化後、人工時効硬化）は、製造時の状態に比べ、引張強さ、硬度、延性を大幅に向上させることができます。
Q: アルミ部品の表面仕上げはどのように改善されますか？
A: サンドブラスト、ビーズブラスト、レーザー研磨、CNC機械加工、研削、ライニングなどのさまざまな仕上げ工程を行うことで、粉体印刷によるアルミニウムの表面に見られる段差を滑らかにすることができます。
Q: アルミニウム粉末の再利用は3Dプリント部品の特性に影響しますか？
A: アルミニウムビルドパウダーのリサイクルは、通常10～20回までは機械的性能に影響を与えません。しかし、約25回を超えると、粉末の流動性の低下、密度の低下、酸素/窒化物不純物の増加により、材料の品質と強度が劣化し始めます。
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