3Dプリンティング金属粉末

目次

概要 3Dプリンティング金属粉末

アディティブ・マニュファクチャリングとしても知られる3Dプリンティングは、デジタルモデルから複雑な金属部品を直接作成することができる。この画期的な技術は、原料として金属粉末を使用し、材料の微細な層を融合させ、層ごとに部品を作り上げる。

使用する特定の金属粉末は、金属3Dプリント部品の特性、性能、用途、経済性に大きな影響を与えます。このガイドでは、3Dプリント用金属粉末の包括的な概要を説明します:

3Dプリンティング金属粉

3Dプリンティング用金属粉末の種類

このセクションでは、粉末床溶融法および直接エネルギー堆積法3Dプリンティング技術で使用される金属粉末の主なカテゴリーと合金について説明します。

金属粉末の特性

部品の品質に影響を与える金属粉末の主要な物理的・化学的特性について検討する。粒度分布、形態、流動性、微細構造について議論する。

3Dプリンティング金属粉末の用途

金属粉末積層造形のユニークな機能は、航空宇宙、医療、歯科、自動車、および一般的なエンジニアリングの分野での導入につながっている。さまざまな金属粉末合金の代表的な用途を紹介する。

金属粉末の仕様と規格

粉末の等級、サイズ範囲、製造方法、品質基準、および金属粉末を調達するためのサプライチェーンの考慮事項が記載されている。

金属粉末のコスト分析

異なる金属合金と品質等級に関連するコストが比較対照される。金属粉末とプラスチック粉末の経済性についても議論する。

利点と限界

一般的な金属粉末の長所と短所を、部品の機能要件、達成される機械的特性、製造コスト、品質管理、およびサプライチェーンの可用性との関連で評価します。

この包括的なガイドブックを読めば、エンジニア、設計者、調達マネージャー、技術専門家は、特定の用途要件と期待される品質対価格比に最適な金属粉末タイプを選択し、調達できるようになる。

3Dプリンティング用金属粉末の種類

自動車、航空宇宙、医療、歯科、宝飾品などの産業用積層造形アプリケーションをサポートするために、粉末の形で利用可能な幅広い金属や合金があります。

最も一般的に使用される金属は以下の通りである:

  • ステンレス鋼 - オーステナイト系、マルテンサイト系、二相鋼など。
  • 工具鋼 - マレージング、熱間加工、冷間加工など
  • 超合金 - コバルトクロム、ニッケル合金、インコネル
  • チタンおよびチタン合金 - 市販純品、Ti-6Al-4Vなど。
  • アルミニウムおよびアルミニウム合金 - スカルマロイ、シリカ強化など
  • ニッケル基合金
  • 銅合金 - 真鍮、青銅など
  • 貴金属 - 銀、金、プラチナ

さらに、セラミックスや炭化物で強化された複合金属粉末は、より優れた特性を発揮する。

この表は、主要な3Dプリンティング技術用の粉末に配合される金属の一般的なカテゴリーをまとめたものである:

金属粉末の種類主要合金一般的なアプリケーション
ステンレス鋼316L、17-4PH、316L、420航空宇宙、自動車、医療
工具鋼H13、M2、D2、A2、ホット/コールドワーク金型、機械部品
スーパーアロイインコネル718、625、ヘインズ282タービン、ロケット、船舶用部品
チタン合金Ti-6Al-4V、Ti 6242、TiAl航空宇宙、医療用インプラント
アルミニウム合金2024, 7050, 7075, 6061自動車、構造物
ニッケル合金インコネル625、ハステロイX耐食性、金型
銅合金CuSn10, CuCr1Zr電気接点、サーマル
貴金属銀、金、プラチナジュエリー、歯科

積層造形用金属粉末のカテゴリーと合金の種類についての概要を説明したところで、次のセクションでは、これらの材料を特徴付ける特性について掘り下げていきます。

3Dプリンティング用金属粉末の特性

金属粉末の特性と品質指標は、印刷部品の機械的特性、微細構造、寸法精度、表面仕上げ、総合性能に大きな影響を与えます。

主な物理的・化学的特性は以下の通り:

  • 粒度分布
  • 粒子の形状と形態
  • フロー特性
  • 見掛け密度とタップ密度
  • 圧縮性
  • 残留酸素と窒素
  • 微細構造

この表は、パウダーの主な特性と、それがなぜ重要なのかをまとめたものである:

パウダー・プロパティ代表値重要性
粒子径10~45ミクロン最小フィーチャーサイズ、表面仕上げ
サイズ分布D10、D50、D90パッキング密度、流動性に影響
形態学球状、粒状パウダーベッドでの拡散挙動に影響
流量ホール流量計の結果均一な成膜に不可欠
見かけ密度2 - 4 g/cc最終部品密度に影響
タップ密度65%まで粉体の充填効率を示す
残留酸素< 500 ppm機械的性能に影響
残留窒素< 150 ppm延性と耐食性に影響

では、これらのパウダーの特徴とスペックをさらに詳しく探ってみよう。

粒度分布

粒子径と粒子径分布は、印刷金属部品の解像度、最小フィーチャサイズ、表面粗さ、機械的特性に直接影響する。

レーザー粉末床溶融プロセスにおける典型的な粒度分布は以下の通りである:

  • D10:10~25ミクロン
  • D50:20~45ミクロン
  • D90:35~100ミクロン

ここで、DXは粒子のX%がその直径の閾値以下であることを意味する。

バウンド金属蒸着プロセスでは、50~150ミクロンの範囲の大きな粒子が利用される。

10ミクロンから45ミクロンの範囲の微細な粒子は、優れた表面仕上げと解像度を可能にし、100ミクロン以上の大きな粒子は、より高い蒸着速度を促進する。

粒子の形状と形態

AM加工用の金属粉末の形状と表面構造は、充填密度、層の均一性、粉末のリサイクル性、部品の性能に大きく影響する。

  • 球状 粒子は流動性と積層性を高め、リサイクル性を促進する。ガスアトマイズとプラズマアトマイズ技術により、球状粉末の製造が可能です。
  • 粒状 表面粗さの高い粒子は、粒子間の機械的インターロックを向上させる。しかし、球状の形態に比べ、薄く均一な層で堆積させるのは難しい。

走査型電子顕微鏡は、粒子の形状と表面の形態を特徴付けるために使用される。

粉体流量

金属粉末の流動性は、一貫した供給、スムーズな粉末の広がり、印刷中の均一な層堆積を達成するために非常に重要です。粉末の流動性や凝集が悪いと、薄い層を確実に形成することができません。

一般的な対策は以下の通り:

  • 安息の角度: 粉体が表面をどれだけ容易に流れるかを示す。角度が小さいほど流動性が良い。
  • ホール流量計: 50gのサンプルを漏斗に通す時間。30秒以下が最適。
  • ハウズナー比: 比率が低いほど流動性が良いことを意味し、タップ密度を見かけ密度で割って算出される。

密度と圧縮性

嵩比重は、金属粉が一定の体積にどれだけ密に効率よく充填できるかを示し、圧縮性は、圧力がかかったときにこの密度がどのように変化するかを測定する。

主な指標は以下の通り:

  • 見かけ密度: 圧縮なしの体積に対する粉末の質量比
  • タップ密度: 機械的タッピング/攪拌後に達成された密度
  • 圧縮性: パウダーの散布と印刷時の加圧による密度の向上

高い密度と圧縮性は粒子間の結合をより良くする一方、低い密度は部品にボイドや空隙をもたらす。

残留酸素と窒素

印刷用の高純度金属粉末を得るためには、酸素と窒素の汚染を抑えることが不可欠です。レベルが高くなると、延性、耐食性、機械的性能が大幅に低下します。

厳しい品質管理と試験により、多くの合金や重要な用途の残留酸素は500ppm以下、窒素は150ppm以下に維持されている。

さて、粉末の物理的属性が印刷部品の特性に与える影響について説明したところで、金属粉末のグレードとその製造方法について説明しよう。

金属粉末の製造と分類

分類基準

金属粉末は、粒度分布、化学的性質、製造方法、品質などに基づいて等級分けされ、分類される:

  • ASTM B213:粉末冶金加工に使用される金属粉末の分類に関する規格
  • ISO 4490:積層造形プロセス用金属粉末
  • AS9100D:クリティカルなアプリケーションのための厳しい要件を備えた航空宇宙規格
  • ASTM F3049:AMプロセスに使用される金属粉末の特性評価に関する標準ガイド
  • ASTM F3056:積層造形用ニッケル合金の仕様
  • ASTM F3301:積層造形用ステンレス鋼粉末の規格

これらの粉体規格は、製造業者と消費者の間で、分布や材料特性に関する一貫したコミュニケーションを可能にします。規制産業への適合を証明するためには、厳格な試験が必要です。

商業的な粉末製造ルートと分類システムについて概要を説明したところで、金属3Dプリンティングの応用と用途を探ってみよう。

産業への応用 3Dプリンティング金属粉末

さまざまな産業で金属積層造形が活用され、従来の製造限界を超える機械的特性と形状を備えた複雑で高性能な部品が製造されている。

代表的な用途は以下の通り:

航空宇宙

  • 構造用ブラケット
  • ジェットエンジン燃焼器ライナー
  • ロケットエンジンのノズル
  • タービンブレード
  • スケルタル・サテライトフレーム

自動車

  • シャシーおよびドライブトレイン部品の軽量化
  • カスタマイズ可能な治具と固定具
  • コンフォーマル冷却工具
  • フレキシブルな少量生産

メディカル&デンタル

  • 整形外科インプラント
  • 患者固有の補綴物
  • 手術器具
  • クラウンコーピングとブリッジ

一般エンジニアリング

  • 射出成形とブロー成形
  • 最終生産部品
  • コンフォーマル・クーリング・チャンネル
  • コンポーネントの軽量化

この表は、主要な金属粉末合金のカテゴリーについて、各業界における典型的な用途をまとめたものである:

産業代表的な金属合金一般的なアプリケーション
航空宇宙インコネル718、Ti-6Al-4Vタービンブレード、エンジンノズル
自動車アルミニウム6061、316L、工具鋼シャーシ、金型、治具
メディカルチタン合金、CoCr整形外科用インプラント、人工装具
歯科コバルトクローム、シルバークラウン、ブリッジ、パーシャル
インダストリアルH13工具鋼、ステンレス鋼射出成形金型、最終用途部品

メタルアディティブは無限の設計革新を可能にします。部品は、製造可能性の制約ではなく、重量と性能のために最適化されます。デジタルファイルからのジャストインタイム生産は、倉庫保管を削減し、マスカスタマイゼーションを可能にします。

産業用金属AMアプリケーションの概要を説明したところで、仕様と調達に関する検討事項を探ってみよう。

金属粉末の仕様、等級およびサプライチェーン

メタルアディティブの採用を成功させるには、プリンターのハードウェアだけでは不十分です。品質管理、粉末の仕様、調達要因、およびサプライチェーンの考慮事項が、部品の性能、経済性、および生産の拡張性に重要な役割を果たします。

このセクションでは、以下のガイダンスを提供する:

  • 金属粉のサイズ範囲
  • 異なる品質等級
  • 粉体リサイクルに関する考察
  • 原材料調達要因
  • 在庫とロジスティクスの要件

粒度分布の仕様

ほとんどの金属添加技術は、10ミクロンから150ミクロンまでの粉末サイズを使用する。45ミクロン以下の微細な粒子は一般的に粉末床技術に使用され、粗い粒子はバウンド金属蒸着プロセスに適しています。

一般的なサイズ範囲は以下の通り:

  • D10: 10 - 25ミクロン
  • D50:20~45ミクロン
  • D90:35~100ミクロン

直径100ミクロン以上の大きな粒子は、レーザークラッディングや電子ビーム溶接のような指向性エネルギープロセスにおいて、より高い成膜速度を促進します。45ミクロン以下の小さな粒子は、粉末溶融の分解能、表面仕上げ、機械的特性を向上させます。

金属粉末の等級

ほとんどの合金は、用途要件、準拠する試験規格、汚染限界、および利用される製造方法に応じて、様々な品質等級で利用可能です。

グレードが高くなると、一般的にコストは上昇するが、欠陥は減少し、性能は向上する。コスト対能力のトレードオフが適用される。

グレード説明価格
インダストリアル費用対効果、より高い酸素/窒素レベル、限定的なテスト$$
航空宇宙厳しい基準、低汚染、完全なコンプライアンス・テスト$$$
カスタムエキゾチック合金、高清浄度、用途別$$$$

粉体リサイクル

ニッチ合金の原材料費が高いことを考えると、使用済み粉末をリサイクルすることで経済性を飛躍的に向上させることができる。

しかし、再利用の繰り返しによる汚染は、5~10回のビルドで流動性、化学的性質、部品特性を劣化させる。品質を維持するためには、新鮮なパウダーを補充する必要があります。

調達に関する考慮事項

生産継続のためには、指定された粉体品種、粒度分布、グレードへの確実なアクセスが不可欠です。リードタイム、最小発注量、在庫レベル、ロジスティクス、地理的近接性といった要素が重要な役割を果たします。

要約すると、粉末の仕様、品質等級、リサイクル、調達のニュアンスを理解することは、金属AMのサプライチェーンをうまく操るために不可欠である。

粉末のグレードと供給要因について説明したところで、次のセクションでは主要合金に関連するコストについて検討する。

AM用金属粉末のコスト分析

金属粉末は、3Dプリンティング用の一般的なプラスチックフィラメントや焼結粉末よりも桁違いに高価です。コストは、合金、サイズ分布、品質レベル、注文量、地域によって大きく異なります。

この表は、主要な金属AMプロセスに適した一般的な合金とグレードのコスト範囲を示している:

金属粉末合金の種類Kgあたりのコスト
ステンレス鋼316L、17-4PH、303、440C$$
工具鋼H13、M2、M4、D2$$$
チタン合金Ti-6Al-4V、Ti 6242、TiAl$$$$
アルミニウム合金2024, 7075, 6061$$
インコネル625, 718$$$$
コバルト・クロームCoCr MP1、CoCrMo$$$$

ここで、$ = 数十、$$ = 数百、$$$ = 数千(kgあたり米ドル)。

よりニッチな合金や、非常に特殊な材料特性や分布は、生産量が少ないため、さらにコストを上昇させる。また、小規模のバッチ生産は、大量注文よりもコストが割高になります。

金属とプラスチック粉のコスト比較

素材典型的なKg当たりのコスト
PLAプラスチック$20-50
ABSプラスチック$25-100
ステンレススチール316L$50-150
アルミニウム 2024$70-200
インコネル718$150-600

金属粉末は、材料強度のため単位重量あたりプラスチックより10~100倍高価であるが、金属は機械的特性、耐熱性、最終用途の可能性において非常に優れている。

要約すると、合金の選択、純度グレード、流通仕様、および注文パラメータは、粉末コストに大きく影響する。しかし、強化された部品性能は、重要な用途ではより高い金属価格を正当化する。

粉体経費が検討されたので、次のセクションでは異なる合金の長所と短所を比較する。

3Dプリンティング金属粉

金属粉末の利点と限界

AMアプリケーションに理想的な金属粉末は存在しません。材料の選択には、粒子径、機械的特性、後処理の必要性、品質等級、供給要因の間のトレードオフをナビゲートする必要があります。

ステンレス鋼粉

  • メリット 費用対効果の高い素材、優れた耐食性、高いリサイクル性、確立されたサプライチェーン
  • 制限: 機械的特性は中程度で、後加工が必要な場合が多い。

工具鋼粉末

  • メリット 高い硬度と耐摩耗性、耐熱性、機械加工性
  • 制限: 熱プロファイルの慎重な管理が必要。加工後に脆くなることがある。

チタン合金粉末

  • メリット 高い比強度、インプラントの生体適合性、耐食性
  • 制限: 非常に高価で、加工中の酸素汚染と反応性が高い。

アルミニウム合金粉末

  • メリット 軽量化の可能性、適度なコスト
  • 制限: 高温特性が限定的で、鋼鉄/チタンよりも引張強度が低い。

ニッケル超合金粉末

  • メリット 極端な温度/酸化/腐食に耐える
  • 制限: 非常に高価で、完全な密度と加工が難しい

貴金属粉末

  • メリット 生体適合性、審美性、ユニークな特性
  • 制限: 原材料にかかる膨大なコスト、限られた技術的機能性

まとめると、普遍的に最適なパウダーは存在しないが、このガイドでは、コスト、能力、制限の観点から幅広い金属オプションを検討し、選択の参考とした。

よくあるご質問

このFAQセクションでは、積層造形用金属粉末に関する一般的な質問にお答えします:

Q: 3Dプリンティングで最も広く使われている金属は何ですか?

A: 316Lステンレス鋼は、その手頃な価格、入手しやすさ、適度な耐食性により、航空宇宙、自動車、医療機器、工業部品などの最終用途部品に多く採用されています。

Q: 最も強度重量比の良い合金はどれですか?

A: Ti-6Al-4V のようなチタン合金は、アルミニウムを超え、高級鋼に迫る非常に高い比強度を提供します。医療用インプラントはチタンの生体適合性と強度を活用しています。拡散接合は層間接着を向上させます。

Q: 金属AM部品の材料特性は、従来の方法とどのように違うのですか?

A: レーザー/電子ビーム溶解による独自の熱プロファイルは、差別化された微細構造を作り出し、多くの場合、強度や硬度を向上させるために結晶粒界をなくします。しかし、その特性は製造方向に依存します。

Q: 表面仕上げを向上させるにはどのような方法がありますか?

A: CNC機械加工と研削、または特殊な電解研磨による追加的な後処理により、最高品質基準の5ミクロン以下の表面粗さ要件が達成されます。また、アニール処理により残留応力を低減することができます。

Q: 高温用途に最適な合金はどれですか?

A: インコネル718のようなニッケル超合金は、700℃まで強度と耐食性を維持し、ジェットエンジンの燃焼室、ロケットのノズル、原子炉などで使用されています。

より多くの3Dプリントプロセスを知る

シェアする

フェイスブック
ツイッター
LinkedIn
WhatsApp
電子メール

MET3DP Technology Co., LTDは、中国青島に本社を置く積層造形ソリューションのリーディングプロバイダーです。弊社は3Dプリンティング装置と工業用途の高性能金属粉末を専門としています。

お問い合わせは、最良の価格とあなたのビジネスのためのカスタマイズされたソリューションを取得します!

関連記事

Met3DPについて

ビデオ再生

最新情報

製品

お問い合わせ

ご質問は?今すぐメッセージをお送りください!私たちはあなたのメッセージを受け取った後、チーム全体であなたの要求を提供します。 

メタル3DPの
製品パンフレット

最新製品&価格リスト