チタン積層造形

3D プリンティングとも呼ばれる積層造形 (AM) は、業界全体の生産に革命をもたらしています。このガイドでは、プロセス、材料、アプリケーション、後処理、品質管理などを含む、チタン部品の AM テクノロジーについて詳しく説明します。

概要 チタン積層造形

チタンは強力で軽量な金属であり、航空宇宙や医療などの高性能用途に最適です。積層造形により、チタンによる新たな設計の自由とカスタマイズの可能性が解き放たれます。

メリット	詳細
複雑な形状	機械加工では不可能な複雑な形状
軽量化	格子構造とトポロジーの最適化
パート統合	組立部品の削減
カスタマイズ	患者固有の医療機器
リードタイムの短縮	設計から直接迅速に生産

コストの低下と品質の向上により、チタン AM の採用が加速しています。

AM用チタン素材

積層造形にはさまざまなチタン合金が使用されます。

合金	特徴
Ti-6Al-4V (グレード 5)	ごくありふれた。強度、延性、耐食性のバランスが取れています。
Ti-6Al-4V ELI	非常に低いインタースティシャル。延性と破壊靱性が向上しました。
Ti-5553	航空宇宙部品向けの高強度。
Ti-1023	ファスナーの冷間成形性に優れています。
Ti-13V-11Cr-3Al	医療用耐食合金。

粒子サイズ分布、形態、純度などの粉末特性は、AM 処理用に最適化されています。

チタン積層造形プロセス方法

一般的なチタン AM 技術:

方法	説明
パウダーベッド・フュージョン	レーザーまたは電子ビームで粉末層を溶かす
直接エネルギー蒸着	集中した熱源で金属粉やワイヤーを溶かす
バインダー・ジェット	液体結合剤が粉末粒子を選択的に結合します

各プロセスには、部品の用途と要件に応じて特有の利点があります。

金属粉末床溶融

粉体層は熱源によって層ごとに選択的に溶解されます。

タイプ	詳細
レーザー粉末床融合 (L-PBF)	溶解にはレーザーを使用します。より高い解像度。
電子ビーム溶解（EBM）	電子ビーム熱源。ビルド速度が速くなります。

L-PBF はより微細な機能を可能にし、EBM はより高い生産性を可能にします。どちらもほぼ完全な密度の部品を生成します。

直接エネルギー蒸着

集中した熱エネルギーを使用して金属粉末/ワイヤを溶かし、材料を層ごとに堆積します。

方法	熱源
レーザー金属蒸着	レーザービーム
電子ビーム積層造形	電子ビーム
レーザー加工によるネットシェーピング	レーザービーム

DED は、既存のコンポーネントを修復したり、機能を追加したりするためによく使用されます。

バインダー噴射プロセス

液体結合剤が金属粉末の層を選択的に結合します。

• パウダー散布 – ビルドプラットフォーム上に散布された新しいパウダー層
• バインダーの噴射 – プリントヘッドがバインダーを希望のパターンで堆積します。
• 結合 - バインダーは粉末粒子を結合します。
• 完全な密度を達成するために、追加の乾燥、硬化、浸透ステップが使用されます。

バインダーの噴射により、緻密化するために焼結と浸透が必要な多孔質の「グリーン」部品が生成されます。高速印刷を実現します。

チタンの AM パラメータ

チタンの主な AM プロセスパラメータ:

パラメータ	典型的な範囲
層厚	20-100 μm
レーザーパワー（L-PBF）	150～500W
スキャン速度	600～1200mm/秒
ビームサイズ	50～100μm
ハッチの間隔	60～200μm

これらのパラメータを最適化すると、造形速度、パーツの品質、材料特性のバランスが取れます。

後処理 チタン積層造形 部品

一般的な後処理手順:

方法	目的
サポート解除	支持構造を取り除く
表面加工	表面仕上げの改善
穴あけとタップ加工	ネジ穴とネジ山を追加する
熱間静水圧プレス	内部の空隙や多孔性を除去します。
表面処理	耐摩耗性・耐腐食性の向上

後処理では、最終的なアプリケーション要件を満たすように部品を調整します。

チタン積層造形の応用

チタン AM 部品の主な応用分野:

産業	用途
航空宇宙	構造ブラケット、エンジン部品、UAVコンポーネント
メディカル	整形外科用インプラント、手術器具
自動車	軽量自動車部品、カスタムプロトタイプ
ケミカル	耐食性流体ハンドリング部品
石油・ガス	腐食環境用のバルブ、ポンプ

AM は、要求の厳しい業界全体で革新的なチタン コンポーネントの設計を可能にします。

チタン積層造形部品の品質管理

チタン AM 部品の重要な品質チェック:

• 寸法精度 – CMM と 3D スキャナーを使用して設計を測定します。
• 表面粗さ – 表面粗さ計を使用して表面の質感を定量化します。
• 多孔性 – 内部空隙をチェックするための X 線断層撮影。
• 化学組成 – 分光分析技術を使用して合金のグレードを確認します。
• 機械的特性 – 引張、疲労、破壊靱性試験を実施します。
• 非破壊検査 – X線、超音波、浸透探傷検査。
• 微細構造 – 欠陥をチェックするための金属組織検査と顕微鏡検査。

包括的なテストにより、機能性能に対する部品の品質が検証されます。

の世界的なサプライヤー チタン積層造形

チタン AM サービスおよびシステムの大手サプライヤー:

会社概要	所在地
GEアディティブ	アメリカ
ベロ3D	アメリカ
3Dシステムズ	アメリカ
トルンフ	ドイツ
イーオーエス	ドイツ

これらの企業は、さまざまなチタン AM 装置、材料、部品製造サービスを提供しています。

コスト分析

チタン AM 部品のコストは以下によって異なります。

• パーツサイズ – 大きな部品にはより多くの材料と製作時間が必要になります。
• 生産量 – 大量生産により、コストがより多くの部品に分散されます。
• 素材 – チタン合金は鋼よりも材料コストが高くなります。
• 後処理 – 追加の処理ステップによりコストが増加します。
• 購入 vs アウトソーシング – AM システムの取得コストと委託製造コスト。

チタン AM は、少量の複雑な部品に対して経済的に実行可能です。 CNC 加工などのサブトラクティブ手法と競合します。

チタン積層造形の課題

チタン AM に関する進行中の課題には次のようなものがあります。

• 残留応力が高いと、部品の歪みや欠陥が発生する可能性があります。
• 鍛造材に匹敵する一貫した機械的特性を実現します。
• ビルド方向に応じた異方性マテリアルの動作。
• 他の製造方法と比較して、サイズ対応が制限されます。
• AM マシン間のプロセスの不一致と再現性の問題。
• 高額なシステムコストと材料価格。
• 資格のあるオペレーターと対象分野の専門家が不足している。

ただし、継続的な進歩により、これらの制限の多くは克服されています。

チタン積層造形の将来展望

チタン AM の将来の見通しは明るいです。

• AM 用に特別に配合された合金と材料のオプションの範囲を拡大します。
• より大きなビルドボリュームにより、より大きな部品とより高い生産性が可能になります。
• 品質、表面仕上げ、材料特性が改善され、鍛造材料に近づきました。
• 現場検査、プロセス監視および制御の開発。
• AMとCNC加工などを組み合わせたハイブリッド製造。
• 航空宇宙、医療、自動車、産業用ガスタービン分野にわたる成長。
• AM システムのコストが削減され、専門知識が増加するにつれて、採用が拡大します。

Titanium AM は、テクノロジーが成熟し続けるにつれて、複数の業界にわたるサプライ チェーンを変革する大きな可能性を秘めています。

Titanium AM サービス ビューローの選択

チタン AM サービス プロバイダーを選択する際のヒントは次のとおりです。

• チタン部品に関する具体的な経験と例を確認してください。
• 後処理を含む完全なエンドツーエンド機能を探してください。
• ISO や AS9100 などの品質システムと認証を評価します。
• AM の知識に基づいたエンジニアリング サポートと設計を評価します。
• 迅速な対応を実現するために、場所と物流を考慮してください。
• AM 機器の機能と容量を理解します。
• 価格モデル (部品ごと、数量割引など) を比較します。
• リードタイムと納期厳守の実績を確認します。
• 顧客の声と満足度を確認します。

適切なパートナーを選択することで、高品質の部品が予定通り、予算内で確実に提供されます。

チタンAMの長所と短所

チタン AM の利点と制限:

長所

• 自由な設計により、複雑な形状が可能になります。
• ラティスとトポロジーの最適化による軽量化。
• より迅速なプロトタイピングと限られた量産。
• アセンブリを単一のパーツに統合します。
• 解剖学的構造に合わせてカスタマイズされた医療機器。
• 機械加工に比べて材料の無駄を削減します。

短所

• 他のプロセスと比較して生産コストが比較的高い。
• パーツの最大サイズの制限。
• 仕上がりを向上させるために後処理が必要になることがよくあります。
• 異方性材料特性。
• 標準とコードはまだ開発中です。
• 設計や加工には専門知識が必要です。

少量から中量の複雑なチタン部品の場合、AM は技術が成熟するにつれていくつかの永続的な制限があるにもかかわらず、革新的な技術です。

よくあるご質問

質問	答え
どの AM プロセスがチタンに最適ですか?	DMLS や EBM のような粉体層溶融により、完全な溶融が可能になり、鍛造に近い特性が得られます。
チタン AM にはサポート構造が必要ですか?	はい、ほとんどのチタン AM プロセスには取り外し可能なサポート構造が必要です。
チタン AM 部品には通常どのような後処理が必要ですか?	ほとんどの部品ではサポートの除去、機械加工、そして多くの場合熱間静水圧プレスが必要です。
チタンAMを最も多く使用している業界は何ですか?	航空宇宙、医療、自動車、石油・ガス業界はチタン AM を主に採用しています。
チタンAMにはどのような材料特性が期待できますか?	最適なパラメーターを使用すると、特性は鍛造材料の 90-100% に近づきます。

結論

チタン積層造形 航空宇宙、医療、自動車、その他の高価値分野にわたって画期的な設計と軽量コンポーネントを実現します。テクノロジーが成熟し続けるにつれて、サプライチェーンを変革し、次世代製品を実現するために、より多くの業界でチタン AM が広く採用されることが期待されます。

より多くの3Dプリントプロセスを知る