3Dプリンティング金属材料

3Dプリンティング金属材料の概要

3Dプリンティングは、次のように知られている。 アディティブ・マニュファクチャリング3Dプリントは、3D CADデータから複雑な金属部品を直接作成することができます。CNC機械加工のような従来の減法的手法とは対照的に、3Dプリンティングは専用の工具や治具を必要とせずに、パーツを層ごとに作り上げます。

金属3Dプリンティングは、複雑な形状を持つカスタマイズされた軽量かつ高性能な金属部品を製造するための新たな可能性を開きます。航空宇宙、自動車、医療、防衛産業では、最終用途の生産アプリケーションに金属3Dプリンティングを採用する動きが加速しています。

しかし、すべての金属が簡単に3Dプリントできるわけではない。最も一般的に使用される金属材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼、コバルトクロム合金である。材料の選択は、強度、耐腐食性、高温性能、生体適合性など、特定の用途要件によって異なります。

この包括的なガイドでは、3Dプリントで使用されるさまざまな金属と合金の詳細な概要を説明します。一般的な金属材料の組成、特性、用途、長所と短所について説明し、ニーズに合った材料を選択できるようにします。

金属3Dプリンティング材料に関する主要な要点：

• アルミニウム合金は、優れた強度対重量比と耐食性を低コストで提供する。
• チタン合金は、低密度で優れた強度を持ち、医療用として生体適合性があります。
• ステンレス鋼は、工具や機能部品として高い強度と耐食性を持っています。
• ニッケル超合金は高温に耐えることができるため、航空宇宙分野に適している。
• コバルトクロム合金は、歯科用および医療用インプラントに硬度、耐摩耗性、生体適合性を提供する。
• 材料の選択は、機械的要件、後処理の必要性、コスト、3Dプリント方法の適合性によって決まる。
• 部品の向き、支持構造、層厚、造形パラメータは、それぞれの金属材料に合わせて最適化する必要がある。
• 熱間静水圧プレスのような後加工は、最終的な部品の特性を向上させることができる。

3Dプリンティング用金属材料の組成

メタル部門	一般合金	構成	プロパティ	アプリケーション
スチール	17-4 PHステンレス鋼、316Lステンレス鋼、AISI 4130鋼	主に鉄（Fe）に、さまざまな量のクロム（Cr）、ニッケル（Ni）、モリブデン（Mo）、炭素（C）、マンガン（Mn）が添加されています。	優れた強度、耐食性、汎用性。特定の特性を得るために熱処理できます。	航空宇宙部品、医療用インプラント、自動車部品、工具および金型
アルミニウム	AlSi10Mg、AlSi7Mg0.3、Scalmalloy	主にアルミニウム（Al）に、ケイ素（Si）、マグネシウム（Mg）、場合によっては銅（Cu）またはスカンジウム（Sc）が添加されています。	軽量、優れた重量対強度比、高い熱伝導率。追加の強度を得るために後処理できます。	航空機部品、ヒートシンク、自動車部品、補綴物および矯正具
チタン	Ti-6Al-4V、CPチタン	主にチタン（Ti）に、アルミニウム（Al）とバナジウム（V）が主な合金元素として添加されています。	高い強度対重量比、優れた耐食性、生体適合性。	航空宇宙部品、医療用インプラント、スポーツ用品、化学処理装置
ニッケル超合金	インコネル625、インコネル718	主にニッケル（Ni）に、クロム（Cr）、鉄（Fe）、コバルト（Co）、モリブデン（Mo）、ニオブ（Nb）が添加されています。	高温強度、耐酸化性、耐クリープ性に優れている。	ガスタービンエンジン部品、熱交換器、ロケットエンジン部品
コバルトクロム	CoCrMo、ヘインズ 214	主にコバルト（Co）とクロム（Cr）に、モリブデン（Mo）とその他の元素が特定の特性のために添加されています。	高強度、耐摩耗性、生体適合性、優れた耐食性。	医療用インプラント、歯科用補綴物、切削工具、耐摩耗性部品
耐火金属	タングステン（W）、タンタル（Ta）	非常に高い融点を持つ純金属。	卓越した高温強度と耐熱性。コストが高く、処理が難しいため、広く使用されていません。	炉部品、るつぼ、ロケットエンジンノズル、ヒートシールド
貴金属	金（Au）、銀（Ag）	純金属または他の貴金属との合金。	高い電気伝導率、反射率、および生体適合性（特定の合金の場合）。コストが高いため、使用は限られています。	電気コネクタ、医療機器（限定用途）、装飾部品

金属材料の機械的性質

プロパティ	説明	単位	エンジニアリング用途における重要性	高い値を持つ材料の例
強さ	加えられた荷重の下で、金属が変形や破壊に抵抗する能力。引張強度（引張力に対する抵抗）、圧縮強度（押す力に対する抵抗）、せん断強度（材料を滑らせようとする力に対する抵抗）など、さまざまな種類の強度があります。	MPa（メガパスカル）、ksi（1平方インチあたり千ポンド）	強度は、あらゆる耐荷重部品にとって基本的な考慮事項です。必要な強度の種類は、予想される負荷条件によって異なります。	• 高強度鋼：優れた引張強度により、橋、建物、車両に使用されます。
硬さ	荷重下での金属の弾性変形に対する抵抗の尺度。硬い材料は、応力下でのたわみが最小限です。剛性はヤング率によって定量化され、応力（加えられた力）とひずみ（結果として生じる変形）を関連付けます。	GPa（ギガパスカル）、psi（1平方インチあたりのポンド）	剛性は、工作機械フレームや精密機器など、寸法安定性が必要な用途に不可欠です。	• アルミニウム：剛性と重量のバランスが良く、航空機構造に最適です。
弾力性	荷重下で金属が変形し、荷重が取り除かれると元の形状に戻る能力。弾性挙動は、部品が恒久的な損傷なしに一時的な応力から回復できることを保証するため、多くの用途で望ましいです。	–	弾性は、スプリングやショックアブソーバーなど、繰り返し荷重と荷降ろしを経験する部品に不可欠です。	• ばね鋼：優れた弾性特性を持ち、エネルギーを効率的に蓄積および放出できます。
可塑性	破壊することなく、荷重下で金属が永久変形を起こす能力。可塑性変形は、鍛造や押出などのプロセスを通じて、金属を希望の形状に成形するのに役立ちます。	%伸び	可塑性は、金属を特定の形状に曲げたり、引いたり、押したりする必要がある製造用途に有利です。	• 銅：延性と展性に優れており、成形が容易なため、電気配線や配管に適しています。
延性	破断することなく、金属を細いワイヤに引き抜く能力。延性は、引張における金属の可塑性変形の能力の尺度です。	%伸び	延性金属は、ワイヤ、ケーブル、またはその他の細長い形状を必要とする用途に貴重です。	• 金：非常に延性に優れており、ジュエリーや装飾目的のために薄いシートに打ち込むことができます。
可鍛性	破断することなく、金属を薄いシートに平らにする能力。展性は、圧縮における金属の可塑性変形の能力を反映しています。	%面積減少	展性金属は、平らなシートまたはパネルを必要とする用途に適しています。	• アルミニウム：展性に優れており、食品包装や建築材料として人気があります。
タフネス	破壊する前にエネルギーを吸収する金属の能力。靭性のある材料は、大きな衝撃や力に耐えることができます。	J/m（ジュール/メートル）	靭性は、ハンマーや車両部品など、衝撃や動的荷重を受ける部品にとって重要です。	• 鋼合金：強度と耐衝撃性を必要とする用途向けに、高い靭性を実現するように配合できます。
復元力	荷重を取り除くと、金属が弾性的にエネルギーを吸収し、それを放出する能力。復元力のある材料は、変形後に蓄積された弾性エネルギーを回復できます。	J/m（ジュール/メートル）	復元力は、スプリングやビームなど、繰り返し曲げや曲げを経験する部品に役立ちます。	• 高炭素鋼：強度と弾性のバランスの取れた組み合わせにより、優れた復元力を発揮します。
クリープ	特に高温下で、一定の荷重下で金属が時間の経過とともに塑性変形する傾向。クリープは、高応力と高温への長期的な暴露を伴う用途にとって懸念事項です。	%単位時間あたりのひずみ	クリープ抵抗は、タービンブレードやボイラーチューブなど、高温で持続的な荷重下で動作する部品にとって不可欠です。	• ニッケル基超合金：極端な温度でのクリープに抵抗するように設計されており、ジェットエンジン部品に最適です。
硬度	圧痕または引っかき力からの局所的な塑性変形に対する金属の抵抗。硬度は、耐摩耗性と相関することがよくあります。	ブリネル硬度（HB）、ビッカース硬度（HV）	硬度は、切削工具やベアリングなど、摩耗や損傷を経験する部品に不可欠です。	• 炭化タングステン：非常に硬く、ドリルビットや耐摩耗プレートに貴重な材料です。

金属3Dプリンティングの用途

申し込み	説明	メリット	産業
機能プロトタイプ	金属3Dプリンティングにより、エンジニアは、CNC機械加工などの従来の方法よりもはるかに高速かつ費用対効果の高い方法で、部品の完全に機能するプロトタイプを作成できます。これらのプロトタイプは、大量生産に着手する前に、設計概念を検証するために厳密にテストできます。	* 市場投入までの時間の短縮：部品を迅速に反復できるため、開発プロセスが加速されます。 * 設計の自由度の向上：複雑な形状と内部機能を簡単に組み込むことができます。 * 材料の精度：最終生産に使用する金属と同じ金属からプロトタイプを作成できます。	* 航空宇宙：エンジン部品、エアダクト、着陸装置部品。 * 自動車：エンジンブロック、トランスミッション部品、軽量ボディパネル。 * 医療機器：外科用器具、プロテーゼ、カスタムインプラント。
少量および特殊部品	金属3Dプリンティングは、従来の技術では製造に費用がかかったり、非現実的であったりする少量または1回限りの部品の製造に優れています。これにより、カスタマイズ、オンデマンド製造、およびニッチなアプリケーションへの扉が開かれます。	* 最小注文数量の削減：少量生産に通常必要な高価なツーリングセットアップが不要になります。 * カスタマイズのための設計：特定のニーズや用途に合わせて部品を簡単にパーソナライズできます。 * 複雑さの簡素化：複雑な形状と内部機能を容易に生成できます。	* モータースポーツ：カスタムギア、ブラケット、軽量部品。 * 石油・ガス：ダウンホール機器の交換部品、特注バルブと継手。 * 防衛：兵器部品、カスタムアーマープレート、特殊工具。
外科および歯科インプラント	金属3Dプリンティングは、骨の内部成長と骨結合を促進する複雑な格子構造を持つパーソナライズされたインプラントの作成を可能にすることで、医療ケアを変革しています。これにより、患者の転帰が改善され、回復時間が短縮されます。	* パーソナライズされたインプラント：患者の解剖学的構造に完全に一致するカスタム設計のインプラントを作成できます。 * 生体適合性の向上：3Dプリンティングによって作成された多孔質構造は、骨の成長と組織の付着を促進します。 * 拒絶反応のリスクの低減：3Dプリンティングにより、チタンやタンタルなどの生体適合性材料の使用が可能になります。	* 整形外科：股関節および膝関節置換術、カスタム脊椎インプラント、外傷修復プレート。 * 歯科：歯科用クラウンとブリッジ、複雑な顎インプラント、カスタム外科用ガイド。
複雑なブラケットと熱交換器	金属3Dプリンティングにより、従来の製造方法では不可能または法外なコストがかかる、内部チャネルと軽量格子構造を備えた複雑なブラケットと熱交換器を作成できます。	* 設計の最適化：軽量で強力なブラケットを設計して、重量を最小限に抑え、性能を向上させることができます。 * 熱伝達の強化：複雑な内部チャネルを熱交換器に組み込んで、優れた熱管理を実現できます。 * 設計の自由度：3Dプリンティングにより、従来の製造の限界を押し広げる形状を作成できます。	* 航空宇宙：航空機構造用の軽量ブラケット、エンジン冷却用の複雑な熱交換器。 * 自動車：レーシングエンジン用の高性能熱交換器、サスペンションシステム用の複雑なブラケット。 * 家電製品：ラップトップ用の熱管理ソリューション、高出力電子機器用のヒートシンク。
エンドオブアームツール（EOAT）	金属3Dプリンティングにより、タスクの特定の要件に完全に一致する、ロボット用のカスタムEOATを作成できます。これにより、効率性、柔軟性、および生産プロセスの改善につながります。	* コンフォーマルグリッパー：グリッパーは、取り扱うオブジェクトの形状に正確に一致するように3Dプリントできます。 * 軽量設計：金属3Dプリンティングにより、ロボットの速度と器用さを向上させる軽量グリッパーを作成できます。 * リードタイムの短縮：カスタムEOATは迅速に設計および印刷できるため、生産セットアップ中のダウンタイムを最小限に抑えることができます。	* 自動車製造：組み立て中の自動車部品の取り扱い用グリッパー。 * 電子機器の組み立て：デリケートな部品配置用の精密工具。 * 食品および飲料：壊れやすい食品アイテムの取り扱い用カスタムグリッパー。

主要金属材料の長所と短所

ここでは、3Dプリンティングで使用される一般的な金属合金の利点と限界を比較する：

素材	長所	短所
アルミニウム6061	低コスト、良好な耐食性	強度が低い
アルミニウム 7075	高い強度対重量比	溶接が難しい
チタン Ti-6Al-4V	高強度、低密度	高価な素材
ステンレススチール316L	優れた耐食性	合金より強度が低い
インコネル718	極端な温度に耐える	機械化への挑戦
コバルト・クローム	優れた耐摩耗性と生体適合性	限られた延性

金属3Dプリンティング材料のサプライヤー

多くの企業が、3Dプリントプロセス専用の金属粉末やワイヤーを提供している：

素材	主要サプライヤー
アルミニウム合金	AP&C、サンドビック、HCスタルク
チタン合金	AP&C、TLSテクニク、テクナ
ステンレス鋼	サンドビック、カーペンター・アディティブ
ニッケル超合金	AP&C、サンドビック、プラクセア
コバルトクロム合金	AP&C、サンドビック、SLMソリューションズ

粉末の品質、一貫性、粒子形状、粒度分布などの要素は、最終的な部品の特性や印刷プロセスの安定性に影響します。評判の高いサプライヤーは、AM用に調整された、よく特性化されカスタマイズされた合金を提供しています。

金属3Dプリンティング材料のコスト分析

金属3Dプリントでは、材料費が最終的な部品コストの大部分を占めます。下記はおおよその価格帯です：

素材	Kgあたりのコスト	1cm3あたりのコスト
アルミニウム合金	$50-$150	$0.15-$0.45
チタン合金	$350-$1000	$1.00-$3.00
ステンレス鋼	$90-$250	$0.25-$0.75
インコネル718	$350-$600	$2.50-$4.50
コバルト・クローム	$500-$1200	$3.50-$8.50

• チタンとコバルトクロム合金が最も高価で、アルミニウムは中程度の価格だ。
• 材料費は製造量に比例し、高価な合金を使用した大きな部品には、より高い材料費が必要となります。
• サポート廃棄物や後処理を減らすための最適化は、有効材料コストの低減に役立つ。

金属粉末の規格

再現性のある高品質のプリントを保証するために、3Dプリントに使用される金属粉末は一定の最低基準を満たさなければならない：

プロパティ	主要規格
粒度分布	ASTM B822、ISO 4490
流動性	ASMB213、ISO 4490
見かけ密度	ASMB212、ISO3923
タップ密度	ASMB527、ISO3953
化学組成	ASTM E1479、OES分析

• パウダーの品質は、密度、表面仕上げ、機械的特性などの最終的な部品特性に影響を与えます。
• 粒度分布が制御された球状粉末は流動性に優れている。
• 一貫した化学的性質と密度は、プロセスの安定性と再現性を提供する。

金属の3Dプリント法

さまざまな3Dプリンティング技術は、金属や合金を加工することができる：

方法	材料	主なメリット	制限事項
パウダーベッド・フュージョン	ほとんどの合金	優れた精度と表面仕上げ	遅いビルドレート
直接エネルギー蒸着	ほとんどの合金	既存部品へのビルトアップ機能	低解像度
バインダー・ジェット	ステンレス	高速印刷	強度が低い
金属押出	限定合金	低い設備コスト	低密度

• DMLSのような粉末床技術は、最高の解像度と精度を提供する。
• バインダージェッティングは、より幅広い合金に対応できるが、最終的な部品強度は低くなる。
• 指向性エネルギー蒸着は、大きなニアネットシェイプの部品の印刷を可能にする。

後処理の要件

アズプリント金属部品は通常、所望の特性を得るために後加工を必要とする：

ポストプロセス	目的	使用材料
サポート解除	支持構造を取り除く	薄く壊れやすい支持体を持つ合金
ストレス解消	残留応力の低減	全合金
熱間静水圧プレス	密度を高め、物件を強化する	全合金
表面仕上げ	表面粗さの改善	全合金
熱処理	微細構造を修正する	アルミニウムのような時効硬化性合金
機械加工	正確な寸法と表面仕上げ	ほとんどの合金

• 歪みを防ぐため、すべての合金に応力除去熱処理を推奨する。
• HIP処理は、最終的な材料特性を大幅に向上させることができる。
• CNC加工は寸法精度と表面仕上げを提供する。

3Dプリント用金属材料の選び方

ファクター	説明	考察	例
応募資格	3Dプリント部品の主な機能は、材料の選択に大きく影響します。次のような要素を考慮してください。* 強度と耐久性: 部品はどの程度の応力を受けるか？* 体重だ： 軽量構造は不可欠か？* 耐熱性： 部品は高温にさらされるか？* 耐食性： 部品は過酷な環境に遭遇するか？	* 荷重を支えるコンポーネントには、チタン合金やマルエージング鋼などの高強度オプションを優先します。 * 軽量用途には、アルミニウム合金またはニッケル合金が優れた強度対重量比を提供します。 * インコネルおよびニッケル合金は、ジェットエンジンなどの高温環境で優れています。 * 塩水や化学物質にさらされる部品は、ステンレス鋼の優れた耐食性の恩恵を受ける可能性があります。	* 航空宇宙 着陸装置やエンジンコンポーネント用の高強度チタン合金。* 自動車： 軽量ボディパネルやピストン用のアルミニウム合金。* 医療機器 インプラントや外科用器具用の生体適合性チタン。* 海洋用途： 船のプロペラや海水ポンプ用の耐食性ステンレス鋼。
3Dプリンティングプロセス	さまざまな金属3Dプリンティング技術には、さまざまな機能と材料の互換性があります。以下を考慮してください。* マシンの互換性： 選択した材料が、特定の3Dプリンターの技術（例：レーザービーム溶融、バインダージェッティング）と互換性があることを確認してください。* 材料の入手可能性： すべての材料が、すべての3Dプリンティングプロセスですぐに利用できるわけではありません。* 表面仕上げと後処理： 一部の材料では、目的の表面品質を達成するために、追加の仕上げステップが必要になる場合があります。	* レーザービーム溶融（LBM）は、チタンやインコネルなどの高性能合金を含む、幅広い互換性のある材料を提供します。 * バインダージェッティングは、ステンレス鋼や一部の工具鋼などの材料に適しています。 * 電子ビーム溶融（EBM）は、チタンなどの反応性の高い材料に最適ですが、表面仕上げにはより広範な後処理が必要になる場合があります。	* LBM： その汎用性で広く使用されており、チタン合金、ステンレス鋼、インコネルなどの材料と互換性があります。* バインダー・ジェット 要求の少ない用途向けのステンレス鋼部品の費用対効果の高い印刷に適しています。* EBMである： 航空宇宙または医療用途の複雑なチタンコンポーネントに最適ですが、後処理には時間とコストがかかる可能性があります。
材料特性	強度や重量などの基本的な特性に加えて、これらの追加特性を考慮してください。* 延性（成形性）： 材料が破損することなく、どの程度簡単に曲げたり成形したりできるか？* 熱伝導率： 材料はどの程度熱を伝導するか？* 生体適合性： 材料は人体への移植に安全か？* 電気伝導率： 部品は、その機能のために電気伝導性が必要か？	* 延性： ある程度の曲げまたは成形を必要とする部品には、特定のニッケル合金などの延性材料が好ましい場合があります。* 熱伝導率： アルミニウムなどの高熱伝導性材料は、熱交換器またはヒートシンクに最適です。* 生体適合性： 医療インプラントには、チタンやタンタルなどの生体適合性材料が不可欠です。* 電気伝導率： 銅または銅合金は、電気伝導を必要とする部品に適した選択肢です。	* 延性： インコネル625などのニッケル合金は、ある程度の成形性を必要とする部品に優れた延性を提供します。* 熱伝導率： アルミニウム合金は、その高い熱伝導性により、熱交換器に最適な選択肢です。* 生体適合性： チタンとタンタルは、組織への刺激が最小限であるため、インプラントの生体適合性のある選択肢です。* 電気伝導率： 銅は、3Dプリンティングで容易に入手できる最高の電気伝導体です。
コストに関する考察	材料コストは、潜在的な後処理のニーズとともに、プロジェクト全体の予算に大きな影響を与える可能性があります。* 材料価格： インコネルなどのエキゾチック合金や金などの貴金属は、非常に高価になる可能性があります。* パウダーの質： 高品質の金属粉末はコストが高くなる可能性がありますが、より優れた印刷性と部品品質につながる可能性があります。* 後処理： 特定の材料は、熱処理や機械加工などの追加の工程を必要とする場合があり、コストが増加します。	* 重要度の低い用途には、ステンレス鋼やアルミニウムなどの費用対効果の高い材料を優先してください。* 高い性能が不可欠な場合は、チタンなどのより高価な材料の長期的なメリットを検討してください。* 後処理のコストを評価し、それを全体的な材料選択プロセスに組み込んでください。	* 費用対効果： ステンレス鋼やアルミニウムは、要求の少ない用途に優れた価値を提供することがよくあります。* 高性能： チタン合金は優れた重量比強度を提供しますが、プレミアムコストがかかります。* バランスが必要： 材料コスト、性能要件、および必要な後処理のトレードオフを検討してください。

よくあるご質問

Q: 3Dプリンティングで最も強度の高い金属合金はどれですか？

A: インコネル718のようなインコネル超合金は最も高い引張強度を持つが、延性に劣る。チタンTi-6Al-4Vは最も高い強度重量比を持つ。

Q: ステンレス鋼で3Dプリントされた部品は耐食性がありますか？

A: はい、316Lやその他のステンレス合金は、3Dプリント後も優れた耐食性を維持します。

Q: 3Dプリンティングで最もよく使われるチタン合金は何ですか？

A: Ti-6Al-4V は最も人気のあるチタン合金で、全てのチタン3Dプリンティングの90%を構成しています。最もオールラウンドな特性を提供します。

Q: 3Dプリントに最適なアルミニウム合金はどれですか？

A：6061と7075が最も広く使用されており、6061は低コストで耐食性に優れ、7075は高強度構造用途に選ばれています。

Q: 金属3Dプリント部品の後処理は必須ですか？

A: 最適な材料特性と性能を得るためには、サポート除去、応力除去、表面仕上げなどの後処理を行うことを強くお勧めします。

Q: 最も幅広い金属合金に対応する3Dプリントプロセスはどれですか？

A: バインダージェットと指向性エネルギー蒸着はほとんどの合金に対応できますが、粉末床溶融はより高解像度の部品を製造します。

Q: 金属の機械加工と3Dプリントでは、部品の精度はどう違うのですか？

A: CNC機械加工部品は、3Dプリント金属よりも公差が厳しく、表面仕上げが優れています。しかし、3Dプリントはより複雑な形状を可能にします。

Q: 造形速度が最も速い金属3Dプリントプロセスはどれですか？

A: バインダージェットは最高の印刷速度を達成することができ、パウダーベッド溶融プロセスよりも最大10倍速くパーツを作ることができます。