金属積層造形材料：組成、特性、用途

積層造形3Dプリンティングとしても知られる金属3Dプリンティングは、航空宇宙から医療機器に至るまで、あらゆる産業の製造に革命をもたらしている。進歩の重要な分野の1つは金属3Dプリンティングで、高価な金型や工具を必要とせずに、3D CADモデルから複雑な金属部品を直接作成することができます。

金属積層造形には、金属粉末を溶かして固体の物体に融合するのに必要な極端な温度を達成するための特殊な装置と材料が必要です。現在最も一般的に使用されている金属3Dプリンティング技術は、粉末床溶融法、指向性エネルギー堆積法、バインダージェッティング法、シートラミネーション法です。

金属3Dプリンティングで製造される部品の材料特性は、使用される金属粉末と合金の組成と特性に大きく依存します。この記事では、最も一般的な金属積層造形材料の概要、特性、用途、およびサプライヤについて説明します。

金属積層造形材料の種類

粉末ベースの3Dプリンティングに使用できる金属合金は多岐にわたります。最も一般的に使用されているのは以下の通りです：

これらの母材は、さまざまな用途に必要な特定の材料特性を得るために、さまざまな組み合わせでブレンドしたり合金化したりすることができる。

金属積層造形材料の特性

積層造形に使用される金属粉末の主な特性には、以下のようなものがある：

粒度分布

• 粉体粒径は、通常15～45ミクロンである。
• 15ミクロン以下の小さな粒子は密度を向上させるが、流動性を低下させる。
• 45ミクロン以上の大きな粒子は、精度と表面仕上げを低下させる。
• 均一な粒度分布により、最適な充填密度を実現。

形態と形状

• 粉末の形状が球状であるため、スムーズな流動と充填が可能。
• 不規則な形状は、嵩密度や粉体層の均一性を損なう原因となる。

流動性

• 均一な層を作るには、パウダーベッド全体にパウダーが均一に広がる必要がある。
• 流動性は形状、粒度分布、表面テクスチャーによって決まる。
• 粉末の流動性を改善するために流動剤を添加することもできる。

密度

• パウダーの充填密度が高いほど、印刷部品の気孔率が減少する。
• 見掛け密度は通常、真の固体密度の40-60%である。
• タップ密度は流量と充填効率を示す。

純度

• 高純度であるため、欠陥や汚染が少ない。
• 酸素、窒素レベルを100ppm以下に保つ。
• 最小限の衛星（大きな衛星に付着した小さな粒子）。

含水率

• 水分はパウダーの固まりの原因となり、流れを悪くする。
• 水分含量は重量で0.02%以下に保たれる。
• 真空または不活性ガス雰囲気で保管された粉末。

粉末の特性に加えて、バルク金属合金の組成と微細構造は、AM部品に重要な性能特性を与える：

強さ

• 降伏強度は合金によって500MPaから1GPa以上。
• 熱処理は、析出硬化によって強度を高めることができる。

硬度

• ビッカース硬度は150HVから400HV以上。
• 硬度は熱処理によって局所的に調整することができる。

密度

• フル密度に近い>99%を達成できる。
• 残留気孔率はプロセスパラメーターに依存する。

表面仕上げ

• 印刷後の表面は10-25ミクロンRaと粗い。
• 精密仕上げに必要な機械加工、研削、研磨。

耐疲労性

• 溶製材に匹敵するが、異方性がある。
• ビルドオリエンテーション、内部欠陥による。

耐食性

• 低いものから非常に高いものまで、合金組成によって大きく異なる。

熱特性

• 錬合金に近い導電率と膨張係数。
• 微細構造によるビルドの方向性による。

電気抵抗率

• 鍛造素材の10-20%以内。
• 空隙率が高いほど比抵抗が高くなる。

最適化された粉末と合金を選択することで、金属AMは多くの場合、従来の製造に匹敵する機械的特性を持つ高密度部品の製造を可能にする。しかし、特性は造形方向によって異方性のままである。

金属積層造形材料の応用

金属積層造形を利用する主な用途には、以下のようなものがある：

航空宇宙 複雑なジェットエンジン、ロケット、極超音速機部品。軽量化、性能向上。

メディカルだ： カスタム整形外科インプラント、人工関節、手術器具。解剖学的構造に合わせた生体適合性金属。

自動車： 部品、性能部品、金型の軽量化。強度と機能統合の向上。

産業用だ： ポンプ、コンプレッサー、エンジンの最終生産部品。リードタイムと在庫の削減

消費者 ジュエリー、ファッション・アクセサリー、小型ガジェット。ユニークで価値の高いジオメトリー。

ディフェンス フィールドユース、防具、武装のための頑丈な部品。オンデマンド製造。

金型製作： コンフォーマル・クーリング・チャンネルが高い生産性を実現。金型ツールのダイレクト印刷

エネルギーだ： オイル/ガスコンポーネントは腐食に強く、過酷な環境でも性能を発揮します。

金属AMが可能にする優れた機械的特性、精度、設計の自由度により、多くの産業でプロトタイプ、ツール、最終用途の生産部品に利用価値がある。

金属積層造形プロセス能力

さまざまな金属3Dプリントプロセスには、適合する材料、部品サイズ、精度、表面仕上げなどの点でさまざまな能力があります：

パウダーベッド融合 は最高の精度と表面仕上げを提供するが、速度は遅い。 直接エネルギー蒸着 これにより、大きなニアネットシェイプのパーツを迅速に製造できるが、精度は低くなる。 バインダー噴射 の方が速いが、完全な密度を得るには浸透が必要である。 シートラミネート は薄い部分に限られる。

最適なプロセスは、アプリケーションの要件によって異なります。部品サイズ、材料オプション、精度、速度、および後処理の必要性に基づいて選択します。

一般的な金属積層造形合金システム

ここでは、積層造形で使用される最も一般的な金属合金系を、その主な特性とともに紹介する：

ステンレス鋼

アルミニウム合金

チタン合金

ニッケル合金

コバルトクロム合金

アプリケーション要件に最適な合金を選択することで、積層造形は高性能金属部品をオンデマンドで3Dプリントすることを可能にする。

積層造形用金属粉末の人気グレード

現在、ほとんどの大手金属粉末サプライヤーは、特に積層造形用に最適化された粉末グレードを提供している。ここでは、最も一般的に使用されているグレードを紹介します：

ステンレス鋼粉

アルミニウム合金粉末

チタン合金粉末

ニッケル合金粉末

コバルトクロム合金粉末

これらの最適化された粉末グレードは、一般的な航空宇宙、医療、工業用合金の金属積層造形において、高品質で再現性の高い性能を保証します。

金属粉末積層造形コスト

AM用の金属粉末のコストは、合金の組成、純度、粒度分布、サプライヤー、購入量によって大きく異なる：

粉体コストは、金属AMにおける部品コスト全体の大部分を占める。AMを採用している産業には、航空宇宙、医療、自動車、石油・ガスなどがあり、高価値の合金がコストを正当化している。生産量の増加に伴い、価格は低下している。粉末回収システムによる廃棄粉末の再利用も、部品あたりの総コストの削減に役立っている。

金属積層造形の後処理

ほとんどの金属AMプロセスは、粗い表面仕上げと若干の内部空隙を持つ部品を製造する。通常、追加の後処理が必要です：

• ビルドプレートからの取り外し - 切削、研削、ワイヤー放電加工により、サポートを取り外し、部品を分離する。
• 表面仕上げ - 機械加工、研削、研磨、ブラストによる表面仕上げ。
• ストレス解消 - AMビルドの残留応力を緩和するための熱処理。
• 熱間静水圧プレス - 内部の空隙をなくし、密度を高めるために高圧をかける。
• 熱処理 - 析出硬化、時効処理により機械的特性を向上。
• コーティング - 必要に応じて、耐摩耗性／耐食性のための機能性コーティングを施す。

適切な後処理を行えば、金属AM部品は極めて高密度で、従来製造の金属部品に匹敵する精密な表面仕上げを達成することができる。

金属積層造形設計ガイドライン

金属AMを最大限に活用し、潜在的な落とし穴を避けるためには、設計ガイドラインに従うことが推奨される：

• 支柱を必要とする張り出した構造物を最小限に抑える
• 階段状の表面仕上げの影響を軽減するために、部品の向きを調整する。
• 薄い壁や格子を使用し、軽量化と材料使用量の削減を図る
• アセンブリを単一の複雑な部品に統合
• コンフォーマル・クーリング・チャンネルとバイオニック・デザインの採用
• 内部チャネルと空洞は自立するように設計する。
• 粉末化されていない領域へのアクセスホールを許可する
• ビルド方向による異方性の考慮
• 余裕のあるフィレットとコーナーへのRのデザイン

AM設計の考え方を採用することで、エンジニアはこれらの革新的な能力を十分に活用することができる。

金属積層造形の未来

金属アディティブ・マニュファクチャリングは、材料、プロセス、アプリケーション、採用の面で大きな進歩を遂げている。しかし、速度、コスト、品質、材料の選択肢を改善する大きな機会がまだ存在しています。

機器メーカー は、生産性を高めるために、より大きな造形エンベロープとマルチレーザーシステムを開発している。クローズドループモニタリングと高度な品質管理システムは、一貫性と信頼性を高めるのに役立つだろう。

材料サプライヤー は、ニッケル超合金、工具鋼、耐火金属のような高温材料を含む、AMに最適化された合金のさらなる認定に焦点を当てている。機能的に等級分けされた金属粉末や複合金属粉末は、より多くの特性を調整することができる。

ソフトウェア 設計、シミュレーション、最適化、機械学習、自動化をめぐる進歩により、AMはより多くの人々に利用されるようになるだろう。システム接続性とデジタル製造アプローチにより、より分散された機敏な生産が可能になる。

アプリケーション は、エンジンや構造部品向けの航空宇宙分野で急成長を続けるだろう。自動車、石油・ガス、医療機器、家電製品への採用は、コストの低下とともに加速するだろう。迅速な製造とマス・カスタマイゼーションが現実のものとなるだろう。

2028年までに$150億ドル以上に達すると推定されるこの高成長市場に、新たなプレーヤーや斬新なイノベーションが参入し、金属AM業界はエキサイティングな時を迎えている。

金属積層造形 - FAQ

ここでは、金属積層造形材料とプロセスに関するよくある質問にお答えします：

3Dプリントできる金属の種類は？

ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル、コバルトクロム、工具鋼、金や銀のような貴金属、銅合金など、主要な工業用合金のほとんどが印刷可能です。新しい合金は常に改良されています。

どのような精度と仕上がりを実現できるのか？

寸法精度は通常±0.1～0.3%程度で、公差は±0.1～0.2mmである。印刷時の表面仕上げは10～25μm Raと粗いですが、機械加工や研磨によって大幅に改善できます。

材料特性は従来の製造と比べてどうですか？

ほとんどの積層造形部品の微細構造と特性は、鋳造や鍛造の材料形状に匹敵します。機械的特性は、航空宇宙グレードのチタンやニッケル合金などの材料の基準を満たすか、それ以上です。

3Dプリント後の部品はどのように後処理されるのですか？

後処理には、サポート除去、応力除去、CNC機械加工、研削、研磨などの表面仕上げ作業、および必要な熱処理が含まれます。重要な用途によっては、内部の空隙をなくし密度を高めるために熱間等方圧加圧（HIP）が必要になる場合があります。

金属製AM部品の重要な設計原則は何ですか？

設計ガイドラインには、オーバーハングの最小化、建築方向の最適化、格子や内部構造の組み込み、薄壁の使用、アセンブリの統合などが含まれる。性能は、バイオニック・クーリングやコンフォーマル・クーリング設計によって向上させることができる。