チタン粉末の3Dプリンティング
目次
概要 3Dプリンティングチタン粉
チタンは、航空宇宙、自動車、医療、その他要求の厳しい用途向けの複雑な形状を3Dプリントするのに理想的な、強靭で軽量な耐食性金属です。チタン粉末は、選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）のような粉末溶融技術を使用して、優れた機械的特性を持つフル密度の金属部品をプリントするために使用することができます。
この記事は、組成、特性、仕様、アプリケーション、長所/短所、サプライヤー、コストなどをカバーする3dプリンティングチタンパウダーの包括的なガイドを提供します。
構成 3Dプリンティングチタン粉
積層造形用のチタン粉末は、ほぼ完全にチタン元素で構成されている。しかし、アルミニウム、バナジウム、鉄、酸素、窒素、炭素などの他の元素が少量含まれることもある。
粉末冶金用チタングレード
| グレード | 構成 |
|---|---|
| チタン 6Al-4V | 90%チタン、6%アルミニウム、4%バナジウム |
| Ti 6Al-4V ELI | Ti 6Al-4Vと同じだが、格子間酸素、鉄、窒素の下限値が低い |
| 純チタン グレード1 | 99.2% 最小チタン |
| 純チタン グレード2 | 99.5% 最小チタン |
| 純チタン グレード3 | 99.8% 最小チタン |
| 商業純チタン グレード4 | 99.9% 最小チタン |
Ti 6Al-4Vは、その優れた強度重量比、溶接性、耐食性により、今日の積層造形で最も一般的に使用されている鋼種である。ELI変種は延性と破壊靭性が改善されている。
市販の純チタングレードは強度は低いが、医療用インプラントとしては生体適合性に優れている。酸素含有量の高いグレード5のチタンは、一般的に粉末床融合には使用されません。
の性質 3Dプリンティングチタン粉 部品
3Dプリンターで製造されたチタン部品は、従来製造されているチタンと同等かそれ以上の特性を達成することができ、さらに設計の自由度という利点もあります。
機械的特性
| プロパティ | チタン 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CPチタン グレード2 |
|---|---|---|---|
| 引張強度 | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| 降伏強度 | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| 破断伸度 | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| 疲労強度 | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| 破壊靭性 | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | 該当なし |
Dプリンティングチタンは、従来のチタン製造方法に匹敵する剛性、硬度、耐摩耗性を持っています。熱間静水圧プレス（HIP）のような後加工は、材料特性をさらに向上させることができる。
メリット
- 高い強度対重量比
- 耐食性
- 生体適合性とオッセオインテグレーション
- トポロジー最適化のための設計自由度
- 減算法に比べて廃棄物を削減
- コンフォーマル・クーリング・チャンネルが性能向上を実現
制限事項
- 酸素との反応性が高く、取り扱いが難しい
- 気孔のような印刷欠陥は疲労寿命を低下させます。
- 高価な粉末材料とリサイクルの課題
- 材料規格を達成するために後加工が必要な場合がある。
仕様 3Dプリンティングチタン粉
積層造形に使用されるチタン粉末は、粒度分布、形態、化学的性質、その他の属性に関する厳格な基準を満たす必要があります。
サイズ分布
| パラメータ | 代表値 | 役割 |
|---|---|---|
| 粒子径範囲 | 15～45ミクロン | 最小フィーチャ分解能、パウダーの拡散性を決定 |
| D10 | 20ミクロン | より微細な粉体を示す |
| D50 | 30ミクロン | 粒子径の中央値 |
| D90 | 40ミクロン | 粒子が大きいことを示す |
| 見かけ密度 | 2.7 g/cc | パウダーベッドの充填密度、再現性に影響 |
パウダーがスムーズに広がるよう、サテライトの少ない球形に近い形態でなければならない。化学的性質は、不純物レベルの低いグレード仕様に適合していなければならない。
その他の重要な特性
- 流動性
- 残留酸素および窒素含有量
- 見かけ密度およびタップ密度の一貫性
- リサイクル性
- プロセスとの化学的適合性
- ハンドリング特性
各パラメーターに対する厳しい品質要件を満たすことは、欠陥のない製造に不可欠である。
の応用 3Dプリンティングチタン粉
| 産業 | 申し込み | 3Dプリントチタンの利点 |
|---|---|---|
| 航空宇宙・航空 | – 航空機部品（主翼部品、着陸装置部品） – ロケットエンジン部品 – 衛星構造 | – 軽量化： 重量が減ると、燃料効率が向上し、飛行距離が長くなります。 高い強度重量比： チタン部品は強度がありながら軽量で、航空機の性能にとって非常に重要です。 – デザインの自由： 複雑な内部構造を印刷して、パフォーマンスと重量配分を最適化できます。 |
| メディカル＆デンタル | – インプラント（股関節置換術、膝関節置換術、歯科インプラント、頭蓋インプラント） – 手術器具 – カスタム義肢 | – 生体適合性： チタンは人体によく耐えられるため、拒絶反応のリスクを最小限に抑えます。 カスタマイズ： 3D プリントにより、患者の解剖学的構造に完全に一致する患者固有のインプラントが可能になり、フィット感と機能が向上します。 多孔質構造: インプラントは、骨の成長を促進して長期的な安定性を高める多孔質構造で印刷できます。 |
| 自動車 | – 高性能エンジン部品（コネクティングロッド、ピストン） – 軽量自動車部品 – レーシング部品 | – 強度と耐久性: チタンはエンジンによくある高温と高圧に耐えます。 – 軽量化： 部品の軽量化により燃費とハンドリングが向上します。 複雑な幾何学： 3D プリントにより、冷却やオイルの流れのための複雑な内部チャネルを作成できます。 |
| 消費財・スポーツ | – 高級自転車フレーム – スポーツ用義肢 – ジュエリーおよび眼鏡 | – ユニークなデザインとカスタマイズ: 3D プリントにより、パーソナライズされたデザインと機能が可能になります。 – 強度と軽量性: 耐久性と最小限の重量の両方を必要とするアプリケーションに最適です。 – 生体適合性： 皮膚に接触する補綴物や一部のジュエリー用途に適しています。 |
| 石油・ガス | – ダウンホール工具および機器 – 耐腐食性パイプおよびバルブ | – 耐食性： チタンは、化学物質や海水にさらされる過酷な環境でも優れた性能を発揮します。 高い強度： 石油やガスの採掘時に発生する高圧とストレスに耐えます。 – 軽量化： 軽いツールであれば、深い坑井でも操作しやすくなります。 |
| 研究開発 | – 複雑な部品の試作 – 新しいデザインや材料のテスト | – 迅速な反復: 3D プリントにより、新しいデザインを素早く作成してテストすることができます。 – デザインの自由： 研究目的で複雑な形状を印刷できます。 – 材料探索: 特性評価のためにさまざまなチタン合金または複合材料を使用して印刷できます。 |
3dプリンティング用チタン粉末のサプライヤー
ほとんどのチタン粉末サプライヤーは、積層造形用に調整されたTi 6Al-4Vグレードを提供しています。また、カスタム合金設計サービスを提供しているところもあります。
チタンパウダーの主要企業
| 会社概要 | 対象学年 | サービス |
|---|---|---|
| エーピーアンドシー | Ti 6Al-4V、Ti 6Al-4V ELI | カスタム合金の開発 |
| テクナ | Ti 6Al-4V、Ti 6Al-4V ELI | 高度なプラズマ球状化 |
| カーペンター添加剤 | Ti 6Al-4V、Ti 6Al-4V ELI | 広範なQAテスト |
| プラクセア | チタン 6Al-4V | 窒素噴霧 |
| 時代 | 市販の純チタン | 少量注文 |
EOSやSLMソリューションズのような多くの3DプリンターOEMも、関連するチタンパウダーを提供しています。リサイクルパウダーは低コストですが、不純物レベルが高くなります。
チタン粉末コスト
| グレード | 形態学 | 価格帯 |
|---|---|---|
| チタン 6Al-4V | 球形 | $350-$1000/kg |
| Ti 6Al-4V ELI | 球形 | 1kgあたり$500-$2000 |
| CP Tiグレード1～4 | 不規則 | $100〜$500/kg |
コストは、注文量、品質、サプライヤーのマージン、リサイクルなどに大きく左右される。
の長所と短所 3Dプリンティングチタン粉
| 特徴 | 長所 | 短所 |
|---|---|---|
| 材料特性 | * 高い強度重量比： チタンは軽量でありながら優れた強度を誇り、航空宇宙産業や自動車産業の軽量化が求められる用途に最適です。 * 耐食性： チタンは本来、腐食に強いため、海洋や化学薬品を扱う場所など、過酷な環境にさらされる部品に最適です。 * 生体適合性： チタンは生体適合性があるため、医療用インプラントに安全に使用でき、長期的な機能性のためにオッセオインテグレーション（骨との融合）を促進します。 | * 限られた素材の選択： より多様な材料を使用した従来の製造方法と比較すると、チタン粉末を使用した 3D プリントは現在、特定の範囲のチタン合金に制限されています。 |
| デザインと製造 | * デザインの自由： 3D プリントにより、従来の減算製造方法では不可能だった複雑な形状の作成が可能になります。これにより、パフォーマンスを最適化し、重量を軽減する複雑なデザインが可能になります。* ラピッドプロトタイピング： デジタルモデルからプロトタイプを素早く印刷できるため、設計の反復と製品開発サイクルが迅速化されます。 * 廃棄物の削減： 大量の廃棄物を生み出す減法製造とは異なり、チタン粉末を使用した 3D プリントでは、設計に必要な材料のみを使用するため、廃棄物と製造コストが最小限に抑えられます。 | * 高額な初期投資： チタン粉末専用に設計された 3D プリンターのコストは高額になる可能性があるため、主に高価値アプリケーションや大規模な生産施設に適した投資となります。* 後処理の要件： 3D プリントされたチタン部品では、望ましい機械的特性と美観を実現するために、熱処理、サポートの除去、表面仕上げなどの追加の後処理手順が必要になることがよくあります。 |
| アプリケーション | * 航空宇宙 航空機の構造、機体、エンジン部品用の軽量で高強度のコンポーネントを作成できるため、チタン 3D プリントは航空宇宙産業にとって貴重なツールとなります。* メディカルだ： 義肢、歯科インプラント、頭蓋インプラントなどの生体適合性チタンインプラントは、患者固有のニーズに合わせてカスタマイズされた部品を作成できる 3D プリントの能力の恩恵を受けています。 * モータースポーツ モータースポーツでは軽量化が重要です。ピストン、コネクティングロッド、サスペンション部品などの 3D プリントされたチタン部品は、パフォーマンスとハンドリングの向上に貢献します。 | * 限定された可用性と専門知識: チタン粉末の 3D プリントには特殊な設備と専門知識が必要であるため、特に小規模な製造業者や生産量が少ないアプリケーションでは、その広範な採用が制限される可能性があります。 * 安全性への懸念： チタン粉末の取り扱いは、その可燃性と呼吸器系の問題の可能性により、健康リスクをもたらす可能性があります。安全な作業環境には、適切な安全プロトコルと設備が不可欠です。 |
チタンプリント工程の比較
| プロセス | テクノロジー | 原料 | エンベロープ | メリット | デメリット | アプリケーション |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 電子ビーム溶解（EBM） | 高出力の電子ビームが真空チャンバー内でチタン粉末を層ごとに溶かす。 | チタンパウダー | 50×50×50まで | - 優れた表面仕上げと寸法精度 - 高強度、ニアネットシェイプ、高強度重量比 - 最小限の残留応力 | - 設備と運用のコストが高い - 他の方法と比較して、造形範囲が限定的である - 非支持面の表面テクスチャが粗い | - 航空宇宙部品（タービンブレード、着陸装置） - 医療用インプラント（ヒップソケット、歯科用インプラント） |
| レーザービーム溶解（LBM） | 高出力レーザービームは、不活性ガス環境下でチタン粉末を層ごとに溶融する。 | チタンパウダー | 最大120 x 120 x 120 | - 高い精度と分解能 - 幅広い適合チタン合金 - 優れた機械的特性 | - 不活性ガスで密閉されたチャンバーが必要 - EBMと比較してレーザーの消費電力が高い | - 医療用および歯科用インプラント - 自動車部品（軽量部品） - 航空宇宙部品（構造部品） |
| 指向性エネルギー蒸着（DED） | 集束されたエネルギー源（レーザーまたは電子ビーム）がチタンワイヤーまたは粉末を溶かし、基板上に層ごとに蒸着させる。 | チタンワイヤーまたはパウダー | 最大1000 x 1000 x 1000 | - 大型部品の印刷に適した広い造形範囲 - 粉体床溶融製剤に比べて印刷速度が速い - 補修やクラッディングの用途に使用可能 | - LBM/EBM と比較して解像度と表面仕上げが低い - 反りや歪みのリスクが高い - 複雑な形状のサポートに限界がある | - 大型構造部品（橋梁、圧力容器） - 既存部品の補修 - 機能試作品 |
| バインダージェッティング（BJ） | 液体バインダージェットヘッドがチタン粉末のベッドにバインダを選択的に付着させ、固体のグリーンパーツを作ります。その後、この部品は脱バウンドされ、焼結されます。 | チタンパウダーと液体バインダー | 最大700 x 500 x 500 | - 他の方法と比較して、部品当たりのコストが低い - 内部流路を持つ複雑な形状の印刷に適している - 幅広い材料（チタンに限らない） | - 脱バインダー後の部品は比較的弱く、焼結が必要 - 融合法に比べて機械的特性が低い - 後処理工程に時間がかかることがある | - 非重要自動車部品（内装部品） - 医療用プロトタイプ - 低応力機能部品 |
チタン粉末と印刷部品の規格
| アスペクト | 標準化団体 | 主な検討事項 | 代表的な規格 |
|---|---|---|---|
| 粉末原料 | ASTMインターナショナル（ASTM）、ISO | - 化学組成 - 粒径と分布 - 流動性 - 粉末形態 | - ASTM B348：チタン及びチタン合金薄板、シート及びプレートの標準仕様書 - ASTM F3056：積層造形（AM）チタン粉末の標準仕様書 - ISO 5832-2：航空宇宙シリーズ - 金属材料 - チタン合金棒、薄板及びシート - 第2部：技術仕様 - UNS R56400 (Ti-6Al-4V) |
| 機械的特性 | ASTMインターナショナル (ASTM) | - 引張強さ - 降伏強さ - 伸び - 疲労強さ - 硬さ | - ASTM F136：構造用シート及びプレートの標準仕様 - ASTM F3001：レーザービーム溶融用積層造形（AM）粉末の標準仕様 - ASTM F3302：ASTM F3302：レーザービーム溶解（LBM）によるチタンおよびチタン合金粉末の緻密化に関する標準仕様書 |
| 微細構造と気孔率 | ASTMインターナショナル (ASTM) | - 粒度 - 気孔率レベルと分布 - 表面粗さ | - ASTM E112: 金属材料の平均粒径を決定するための標準試験方法 - ASTM B924：ASTM B924: チタンの酸化物変色の検査と分類のための標準試験方法 - ASTM F2904：ASTM F2904：付加製造金属合金の組織特性評価に関する標準的実施方法 |
| 積層造形（AM）のための部品設計 | ASTMインターナショナル（ASTM）、Wohlersレポート | - 最小肉厚 - 支持構造の設計 - 内部構造と格子構造 - 表面粗さの考慮 | - ASTM F4269：ASTM F4269: Standard Practice for Additive Manufacturing with Powder Bed Fusion of Metals - Wohlers Report [積層造形業界の現状に関するWohlersレポート] - 機械メーカーによる設計ガイドライン |
| 非破壊検査 (NDT) | ASTMインターナショナル (ASTM) | - X線ラジオグラフィー - コンピューター断層撮影（CT） - 超音波検査 - 渦電流検査 | - ASTM E1742: 金属材料の空隙および介在物に関するX線透視検査の標準実施法 - ASTM F2789：ASTM F2789：積層造形（AM）工程のコンピュータ断層撮影（CT）画像化に関する標準試験方法 - ASTM E114：金属材料の超音波試験に関する標準実施方法 - ASTM E2194：ASTM E2194：金属製品の電磁（渦電流）試験の標準ガイド |
| 後処理 | ASTMインターナショナル (ASTM) | - 熱処理 - 熱間静水圧プレス（HIP） - 機械加工と仕上げ | - ASTM F67：ASTM F67: チタンねじとピンのせん断強さを決定するための標準試験方法 - ASTM B967：ASTM B967：チタンおよびチタン合金の化学的スケール除去、電気洗浄、不動態化に関する標準仕様 - 機械メーカーによる機械加工および仕上げガイドライン |
よくあるご質問
3Dプリンティングに最適なチタン合金は？
Ti 6Al-4Vは、その優れた機械的特性と耐食性に加え、商業的に入手可能であることから、現在、積層造形に使用される最も一般的なチタン合金粉末です。Ti 6Al-4V ELIは破壊靭性を改善します。
どのような方法でチタン部品を3Dプリントできますか？
選択的レーザー溶融（SLM）と電子ビーム溶融（EBM）は、チタンの印刷に使用される主要な粉末床溶融技術である。指向性エネルギー蒸着（DED）法も可能ですが、空隙が多くなります。
チタンは3Dプリント時にサポートが必要ですか？
はい、チタンは凝固が早いため、印刷時にサポートが必要です。表面の欠陥や材料の無駄を避けつつ、適切な固定を行うには、慎重に最適化されたサポートが必要です。
チタンを3Dプリントするのと機械加工するのでは、どちらが安いですか？
ワンオフのカスタムパーツの場合、金型が不要なため、3Dプリンティングチタンの方が安価な場合が多いです。大量生産の場合、チタンのCNC機械加工は部品あたりのコストは低くなりますが、初期設定費用と材料の無駄が多くなります。
どのような産業で3Dプリンターによるチタン部品が使われていますか？
航空宇宙産業は、複雑な部品における購入対飛行比の改善により、現在チタンプリントを最も多く採用している。医療、自動車、石油・ガス、スポーツ用品、消費者セクターも3Dプリントチタンを活用しています。
3Dプリント用のチタンパウダーの価格は？
チタン粉末は、組成、品質、注文量、その他の要因によって、1kgあたり$100-2000の範囲となります。重要な用途向けのTi 6Al-4VおよびTi 6Al-4V ELI球状粉末は、$500/kgを超えるプレミアム価格が要求されます。
3Dプリンターで作られたチタン部品の例を教えてください。
3Dプリンティングは、機体ブラケット、タービン、モータースポーツ部品、カスタマイズされた人工装具、共形冷却射出成形金型、さらには複雑な格子デザインを活用した眼鏡や宝飾品などの革新的なチタン部品を可能にする。
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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。
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