2020年に使用できる金属3D印刷粉末は何ですか？ [ガイド]

金属の3D印刷に足を踏み入れようとしている企業にとって、今日このテクノロジーで使用できる金属を知ることは非常に重要です。設計から製造まで、適切な材料を選択することで、完成品の最高水準が保証されます。

AMの現在の金属エコシステムに慣れるのに役立つように、Powder Bed Fusion用の市販の合金、印刷を成功させるための主要な材料要件、および金属の使用が将来どのように進化するかを探ります。 。しかし、最初にパウダーベッドフュージョンとは何かを探りましょう。

金属粉末床融合技術の概要

Metal Powder Bed Fusion（PBF）は、今日最も確立された金属積層造形（AM）技術です。

PBFを使用すると、粉末金属の層がマシンのビルドプラットフォームに均等に分散され、レーザーまたは電子ビームのいずれかのエネルギー源によって選択的に融合されます。

2つの主要な金属3D印刷プロセスは、パウダーベッドフュージョンカテゴリに分類されます：

• 選択的レーザー溶融（SLM）/直接金属レーザー焼結（DMLS）
• 電子ビーム溶解（EBM）

SLMでは、強力で微調整されたレーザーが金属粉末の層に選択的に適用されます。このようにして、金属粒子が融合して部品を作成します。

SLMの重要な要件は、アルゴンなどの不活性ガスで満たされた密閉型ビルドチャンバーです。これにより、金属粉末の酸素汚染が防止され、印刷プロセス中に正しい温度を維持するのに役立ちます。

EBMはSLMと同様に動作し、金属粉末も溶融して完全に緻密な金属部品を作成します。粉末の汚染と酸化を防ぐために、EBMプロセスは真空環境で行われます。

SLM / DMLSテクノロジーとEBMテクノロジーの主な違いは、エネルギー源です。EBMシステムは、レーザーの代わりに、金属粉末の層を溶かすための熱源として高出力の電子ビームを使用します。

通常、電子ビームはレーザーよりも強力であるため、EBMは、ジェットエンジンやガスタービンなどの非常に要求の厳しい用途向けの部品を作成するために、高温の金属超合金とともに使用されることがよくあります。さらに、この技術は電荷に依存しているため、EBMはチタンやクロムコバルト合金などの導電性金属でのみ使用できます。

金属3D印刷粉末の要件

正確で再現性のある金属AMの製造を保証するには、金属粉末は一貫した特性を示す必要があります。

粉末の製造方法が異なるため、粉末の特性はプロセスや合金によって異なります。最も重要な特性には、次のものがあります。

• 粒度分布（PSD） ：粒子が小さいほど、部品の寸法と表面仕上げの解像度が細かくなります。 PBF内では、EBMシステムは従来45〜105 µmのPSDを使用しますが、ほとんどのレーザーベースのシステムは15〜45 µmのPSDを必要とします。

• 形態学 ：滑らかな規則的な形状の金属粉末粒子が好ましい。これにより、それらを十分に充填することができ、その結果、良好で望ましい機械的特性を備えた高密度の製品が得られます。

• 流動性 ：粉末はリコーターによって広げられるため、粉末の流動性は均質な粉末層を形成する上で主要な役割を果たします。

• 密度 ：フローおよび処理中の粉末の最適な充填密度は、3Dプリント部品の完全性と表面仕上げにプラスの影響を与えます。楕円体粒子は、より良く、より一貫性のある自然またはランダムなパッキングを持ちます。

• 化学/相組成 ：これは、すべての合金が粉末として利用できるわけではない理由を説明しています。 PBFは一般的に溶接可能な金属を好みます。

パウダーベッドフュージョンで3Dプリントできる金属は何ですか？

鋼

AMで利用可能な合金 ：316L、H13工具鋼、マレージ鋼、ケース硬化鋼、ステンレス鋼15-5 PH、ステンレス鋼17-4 PH、ステンレス鋼300シリーズ、ステンレス鋼400シリーズ、低合金鋼

鋼は、地球上で最も広く使用され、最もリサイクルされている金属材料です。ステンレス鋼から高温鋼まで、さまざまな形態と合金の鋼は、幅広い用途に対応するためにさまざまな特性を提供します。

金属PBFには、広く印刷されている一次鋼合金は約10個しかありません。今日。今日の印刷鋼のセットは非常に小さいですが、従来の金属加工技術と比較すると、Carpenter、Sandvik、Hoganas、GKN、Oerlikonなどの企業はすべて、AMが新しい市場に参入するための新しい鋼を積極的に開発しています。

たとえば、GKN Additive Materialsは最近、AM用の新しい低合金鋼粉末を開発しました。低合金鋼粉末は、その靭性と耐食性により、自動車産業などの分野でAMに新たな機会を生み出します。自動車産業では、スケーラビリティとコストが重要な推進力となります。

今日、最終的な鋼の使用パートAMの生産は、特に海事や自動車などの3D印刷の新しい市場で成長しています。これにより、鉄鋼は、従来の医療および航空宇宙産業を超えて金属AM技術の採用を促進するための鍵の1つになります。

これらの進歩は、鋼が今後数年間で最も広く使用される金属AM材料になる可能性が非常に高いことを示しています。

アルミニウム

AMで利用可能な合金 ：Al-Si10Mg、AlSi12、AlSi7Mg、AlSi9Cu3、Al4047、Al-Si-Mg（F357）、Scalmalloy（Al-Mg-Sc）、Al-Cu-Ti-B2（A205 / A20X）

アルミニウムは、優れた機械的特性と熱的特性を兼ね備えた、丈夫で軽量な金属です。これらの理由から、アルミニウム合金は航空宇宙、自動車、生物医学産業で広く使用されています。

AMの調査会社であるSmarTechは、2018年にアルミニウム3D印刷が全金属印刷の約10％を占めると推定しています。それ以来、AM用のアルミニウム合金の開発と商品化が大幅に増加しています。航空宇宙および自動車産業における需要。

たとえば、APWORKSは、エアバスと共同で、航空宇宙アプリケーション向けのScalmalloyを開発しました。この材料は、航空宇宙産業にとって特別な恩恵である、最も低いバイツーフライ比を提供します。

この材料は航空宇宙を念頭に置いて開発されましたが、その特性はモータースポーツ部門にとっても魅力的です。そのためです。 Scalmalloyは最近、フォーミュラ1で承認されたAM材料のリストに追加されました。

ただし、AM用の多くのアルミニウム合金は依然として非常に高価であり、対象業界の要件を満たしていません。たとえば、自動車業界では、大量生産された車両での使用を検討するために、衝突試験に合格するためにアルミニウムの3Dプリント部品が必要です。

エンジニアリンググループのEDAGは、AMを自動車シリーズの生産に適応させることに焦点を当てた「CustoMat_3D」研究プロジェクトの一環として、CustAlloyと呼ばれる新しいアルミニウム合金を開発しました。

新しく開発された材料は、より高い強度とより高い破断点伸びの両方を提供することにより、これらの課題を克服するように設計されています。これは、自動車の3D印刷部品が新しい合金を使用して衝突試験で良好に機能することを可能にする重要な特性です。

チタン

グレード ：Ti-6Al-4V（グレード5）、Ti-6Al-4V（グレード23）、Cp-Ti（グレード1）、Cp-Ti（グレード2）、Ti-Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo 、Ti5553、Ti6242

チタンは優れた材料特性を備えていますが、コストが高いため、歴史的に航空宇宙での価値の高い用途に使用が制限されてきました。

金属3D印刷が実行可能な製造方法としてますます認識されるようになった今、この技術により、医療、自動車、モータースポーツなどの業界でチタンが利用できるようになっています。

チタンの非毒性、高強度、耐食性のおかげで、特に整形外科インプラントの分野でチタン3D印刷の可能性があります。

3D印刷で使用すると、医療機器メーカーは複雑で多孔質の構造。驚くべきことに、これらの構造は人間の骨の構造を模倣しているため、骨細胞はそれを成長するための足場として認識します。

チタン粉末の需要の高まりにより、一部の金属粉末生産者は新しいチタン生産プラントの建設を開始し、他の生産者はチタン粉末の生産を増やすようになりました。

たとえば、サンドビックは2019年末に、Osprey®ブランドのチタンおよびニッケル基超合金用の粉末工場を開設しました。同年、カナダのプラズマ噴霧金属メーカーであるPyroGenesisが粉末は、チタン粉末の生産率を高め、これにより、同社は歴史的に非常に高価なチタン粉末の生産コストを下げることもできました。

銅と貴金属

AMで利用可能な合金 ：CuNi3Si、CuNi2SiCr、CuCrZr、CuAl10Fe5Ni5、Cu高酸素

すべての金属が3D印刷に適しているわけではありません。たとえば、銅は印刷が特に難しく、3D印刷された銅の大部分は現在、純金属ではなく銅の合金に基づいています。

純銅のレーザー反射率は1個あたり90を超えています。セントであり、レーザーが純粋な銅粉を継続的かつ定期的に溶融することは困難です。

1つの方法は、そのような金属を3Dプリントできる新しいシステムを開発することです。

Formnext 2018で、TRUMPFは、純銅やその他の貴金属を印刷できるグリーンレーザー技術を実証しました。

同社は、純銅の3D印刷が導電性インダクターと熱交換器を作成する別の方法。これは、電子機器、自動車、宇宙用途に特に役立ちます。

金、銀、プラチナなどの貴金属に関しては、3D印刷の利点これらの素材は、ジュエリー、アクセサリー、装飾品に理想的な複雑なデザインを実現する可能性にあります。

ただし、貴金属の3D印刷は通常間接的であり、ワックス型の製造が含まれ、ワックス鋳造技術で使用されます。

貴金属と互換性のある3D印刷機の数には限りがありますが、PBFを使用した貴金属による直接3D印刷も可能です。

超合金

ニッケル、コバルト、または鉄をベースにした金属混合物のファミリーである超合金は、特に融点に近い高温で動作する場合、高温での変形、腐食、および酸化に耐性があります。

ターボジェットエンジンのガスタービンコンポーネント用に最初に開発された超合金は、現在、航空宇宙および発電産業の高温用途に広く使用されています。

ニッケル

AMで利用可能な合金 ：インコネル625、インコネル718、インコネル738、インコネル939、Ni-Ti、ワスパロイ、ハステロイ、ABD900AM、ヘインズ282

ニッケル合金は、早くも2007年に金属PBFプロセスで使用できるようになりました。

ニッケル合金の現在の需要は、インコネルファミリーのスーパーアロイ、特にIN625およびIN718アロイによって支配されています。これは、優れた硬度、引張強度、そしておそらく最も重要なこととして、化学的および温度を必要とするアプリケーションでの優れた機能のおかげです。抵抗。

これらの2つの合金に加えて、主要な金属会社によって提供されるより多くのニッケル-クロム超合金があります。いくつかのヘインズ超合金、ハステロイ超合金、およびさまざまな形態のインコネルが現在、より確立されつつあります。

現在、航空宇宙産業はニッケルベースの積層造形の需要の大部分を牽引していますが、石油およびガス、エネルギー、および一般産業セグメントなどのニッケルスーパーアロイの3Dプリントには大きな可能性があります。化学処理。

コバルト

AMで利用可能な合金： MP1、CP2、Co-Cr、Co-Cr-MoC、188コバルト合金、509コバルト合金、CoCr-0404、CO502、CO90、CO212、Co49Fe2V

3D印刷用の最初の市販のコバルト超合金の発売は、2006年にさかのぼります。それ以来、医療および航空宇宙産業の需要に牽引されて、材料の使用が増加しています。

コバルト超合金は、耐食性と高温に加えて、優れた機械的特性を備えています。コバルトクロム合金は、優れた生体適合性を備えているため、医療（整形外科インプラント）および歯科用途に特に適しています。

鉄

AMで利用可能な合金 ：Invar 36、Fe-Si、Fe-Ni

いくつかの金属PBFシステムメーカーは、熱膨張が非常に小さいことで有名なニッケル-鉄合金であるInvar36を印刷する可能性を提供しています。 Invar 36は、無線および電子機器、航空機制御、光学およびレーザーシステムなど、広範囲の温度で高い寸法安定性を必要とするコンポーネントで使用されます。

金属粉末の大手メーカーの1つであるHöganäsは、AMPERPRINTブランドで、耐摩耗性、耐摩耗性、耐腐食性を備えたさまざまな鉄ベースの粉末も提供しています。

高融点金属

高融点金属は並外れた特性を持っていますが、同時に、取り扱いが非常に困難です。

今日のAMでの高融点金属の最も一般的な用途は、鋼、ニッケル、コバルト材料と合金化して、多くの人気のある超合金を作成することです。

現在、AM用の高融点金属粉末を提供している企業はごくわずかです。

H.C.最近TANIOBISGmbHとしてブランド名が変更されたStarckTantalum and Niobium GmbHは、そのような会社の1つであり、AMtrinsicブランド名でAM用に設計された一連の噴霧タンタルおよびニオブ（Ta / Nb）粉末とその合金を提供しています。

タンタルとニオブは、それらの高い融点、高い耐食性、高い熱伝導率と電気伝導率を挙げて、AMに新しい機会を開くと信じています。

このような特性により、企業はAMを化学処理、エネルギーセクター、およびさまざまな高温環境に適用できるようになります。

増え続ける金属3Dプリントパウダーの範囲

金属PBFでは、材料開発は進行中の作業です。 3D印刷に利用できる金属の数は、鋳造や機械加工などの従来の製造と比較すると、依然として限られています。

この理由の1つは、AM用の新しい金属粉末を開発するのにかかる時間とリソースです。場合によっては、開発プロセスに数年かかることがあります。

もう1つの理由は、他の金属とは異なるレーザー波長を必要とする銅粉の場合のように、ハードウェアの制限にあります。幸いなことに、印刷可能な金属の範囲をさらに拡大するために、ハードウェアの課題が克服されています。

課題はありますが、金属PBFの将来は明るいように見えます。生産への採用が進み、より多くの業界がこのテクノロジーを採用し始めているからです。これは、新しいアプリケーションのロックを解除し、金属3D印刷を次のレベルに引き上げるのに役立つ、新しい材料化学への注目が高まることを意味します。