2020年注目のメタル3Dプリント粉末：究極のガイド

メタル3Dプリントへの参入を検討するあらゆる企業にとって、今日どの金属がこの技術で使用可能かを知ることは極めて重要です。設計から製造まで、適切な材料選定が完成品の最高水準を保証します。
 
現在のAM向けメタルエコシステムを把握していただくため、粉末床溶融で市販されている合金、プリント成功のための主要材料要件、今後のメタル活用の進化を探ります。まずは粉末床溶融とは何かから見ていきましょう。
 

メタル粉末床溶融技術の概要

 

 
メタル粉末床溶融（PBF）は、現在最も確立されたメタルアディティブ製造（AM）技術です。
 
PBFでは、粉末金属の層がマシンのビルドプラットフォーム上に均一に分配され、レーザーまたは電子ビームというエネルギー源で選択的に溶融されます。
 
粉末床溶融に分類される主要なメタル3Dプリントプロセスは2つあります：
 

• 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照射され、金属粒子が融合してパーツが形成されます。
 
SLMには重要な要件として、アルゴンなどの不活性ガスで満たされた密閉ビルドチャンバーがあります。これにより金属粉末の酸素汚染を防ぎ、プリントプロセス中の適切な温度維持を助けます。
 
EBMもSLMと同様に金属粉末を溶融して完全な高密度メタルパーツを作ります。粉末の汚染と酸化を防ぐため、EBMプロセスは真空環境で行われます。
 
SLM/DMLSとEBMの主な違いはエネルギー源です：レーザーの代わりに、EBMシステムは高出力電子ビームを熱源として金属粉末の層を溶融します。
 
電子ビームは通常レーザーより強力なため、EBMはジェットエンジンやガスタービンなど極めて要求の厳しい用途向けの高温メタル超合金によく使用されます。また、電気的荷電に依存するため、EBMはチタンやコバルトクロム合金などの導電性金属にのみ使用可能です。
 

メタル3Dプリント粉末の要件

 
正確で再現性のあるメタルAM生産を確保するには、メタル粉末は一貫した特性を示さなければなりません。
 
粉末製造方法の違いにより、粉末特性はプロセスと合金によって異なります。最も重要な特性には以下が含まれます：
 

• 粒度分布（PSD）：微細な粒子はパーツ寸法と表面仕上げのより細かな分解能を可能にします。PBFでは、EBMシステムは従来45–105 µmのPSDを使用し、ほとんどのレーザーベースシステムは15–45 µmのPSDを求めます。

 

• 形態：滑らかな規則的形状の金属粉末粒子が好まれます。これにより充填性が良くなり、望ましい機械的特性を持つ高密度製品が得られます。

 

• 流動性：粉末流動性は、リコーターによって粉末が広げられる際、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：流動中および処理中の粉末の最適充填密度は、3Dプリントパーツの完全性と表面仕上げに良い影響を与えます。楕円球粒子はより良好で一貫した自然/ランダム充填を示します。

 

• 化学組成／相組成：これがすべての合金が粉末として利用可能でない理由です。PBFは一般的に溶接性のある金属を好みます。

 

粉末床溶融で3Dプリント可能な金属は？

 

鋼

 
AM対応合金：316L、H13工具鋼、マルエージング鋼、浸炭鋼、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。ステンレス鋼や耐熱鋼など、様々な形態と合金で幅広い用途に対応する特性を提供します。
 
メタルPBFでは、今日広くプリントされている主要な鋼合金は約10種類です。従来の金属加工技術と比較するとプリント可能な鋼のセットはまだ小さいですが、Carpenter、Sandvik、Hoganas、GKN、Oerlikonなどの企業がすべてAM向け新鋼の開発に積極的で、新市場の開拓を目指しています。
 
例えば、GKN Additive Materialsは最近、AM向け新低合金鋼粉末を開発しました。靭性と耐食性により、スケーラビリティとコストが重要なドライバーである自動車産業などで、AMの新たな機会を創出しています。
 
今日、エンドパーツAM生産における鋼の利用は、海事や自動車など3Dプリントの新市場で特に成長しています。これにより鋼は、今後数年間で最も広く使用されるメタルAM材料の一つになる可能性が高いです。
 

アルミニウム

 
AM対応合金：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・熱的特性を兼ね備えた強く軽量な金属です。それゆえ、航空宇宙、自動車、医療産業でアルミニウム合金が広く使用されています。
 

 
AMリサーチ企業SmarTechの推計では、アルミニウム3Dプリントは2018年に全メタルプリントの約10%を占めました。以来、航空宇宙と自動車産業の需要により、AM向けアルミニウム合金の開発と商業化が大幅に増加しています。
 
例えば、APWORKSはエアバスと協力し、航空宇宙用途向けにScalmalloyを開発しました。この材料は最低のbuy-to-fly比を提供し、航空宇宙業界にとって特筆すべき利点です。
 
航空宇宙向けに開発されましたが、その特性はモータースポーツにも魅力的—それがScalmalloyが最近フォーミュラ1の承認AM材料リストに追加された理由です。
 
しかし、多くのAM向けアルミニウム合金は依然として非常に高価で、ターゲット産業の要件を満たしていません。例えば自動車業界では、アルミニウム3Dプリント部品がクラッシュテストをパスしないと、大量生産車への採用は見送られます。
 
エンジニアリンググループEDAGは、『CustoMat_3D』研究プロジェクトの一環として、自動車量産向けAM適応に焦点を当て、CustAlloyと呼ばれる新アルミニウム合金を開発しました。
 
新開発材料は、破断時のより高い強度と伸び—クラッシュテストで良好な性能を発揮するために不可欠な特性—を両立することで、これらの課題を克服するよう設計されています。
 

チタン

 
グレード：Ti-6Al-4V (Grade 5)、Ti-6Al-4V (Grade 23)、Cp-Ti (Grade 1)、Cp-Ti (Grade 2)、Ti-Al、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti5553、Ti6242
 
チタンは優れた材料特性を持ちますが、その高コストが歴史的に航空宇宙などの高付加価値用途への使用を制限してきました。
 
メタル3Dプリントが実行可能な製造手法としてますます認識されるようになり、医療、自動車、モータースポーツなどの業界でもチタンがより利用しやすくなりました。
 
特に整形外科インプラント分野でチタン3Dプリントには大きな可能性があります。チタンの無毒性、高強度、耐食性のおかげです。
 
3Dプリントと組み合わせると、医療機器メーカーは複雑な多孔質構造を持つチタンインプラントを作れます。驚くべきことに、これらの構造は人間の骨の構造を模倣するため、骨細胞がそれを足場として認識し、成長していきます。
 

 
チタン粉末への需要増大により、一部の金属粉末メーカーは新たなチタン生産プラントの建設を開始し、他社はチタン粉末生産を増強しました。
 
例えば、Sandvikは2019年末に、Osprey®ブランドでチタンとニッケル基超合金の粉末プラントを開設。同年、カナダのプラズマアトマイズ金属粉末メーカーPyroGenesisはチタン粉末生産率を向上させ、歴史的に非常に高コストだったチタン粉末製造コストを低減させました。
 

銅と貴金属

 
AM対応合金：CuNi3Si、CuNi2SiCr、CuCrZr、CuAl10Fe5Ni5、Cu高酸素
 
すべての金属が3Dプリントに適しているわけではありません。例えば銅はプリントが特に困難で、現在3Dプリントされている銅の大半は純銅ではなく銅合金ベースです。
 
純銅のレーザー反射率は90%以上で、レーザーが純銅粉末を継続的かつ規則的に溶融させるのは困難です。
 
解決策の一つは、こうした金属を3Dプリントできる新システムを開発することです。
 
Formnext 2018では、TRUMPFがグリーンレーザー技術を実演し、純銅やその他の貴金属のプリントが可能であることを示しました。
 
同社は、純銅3Dプリントが導電性インダクタや熱交換器の製造における代替手段になり得ると考えています。これらは電子、自動車、宇宙用途で特に有用です。
 
貴金属（金、銀、プラチナなど）では、複雑なデザインが可能になる利点があり、ジュエリー、アクセサリー、装飾品に最適です。
 
しかし、貴金属の3Dプリントは通常間接的で、ワックス模型を作り、それをロウ鋳造技術で使用します。
 
PBFを用いた貴金属の直接3Dプリントも可能ですが、貴金属対応の3Dプリントマシンの数は限られています。
 

超合金

 
超合金は、ニッケル、コバルト、鉄を基とする金属混合物のファミリーで、特に融点に近い高温で動作する際、高温変形、腐食、酸化に耐性があります。
 
当初はターボジェットエンジンのガスタービン部品向けに開発された超合金は、現在航空宇宙と発電産業の高温用途で広く使用されています。
 

ニッケル

 
AM対応合金：Inconel 625、Inconel 718、Inconel 738、Inconel 939、Ni-Ti、Waspaloy、Hastelloy、ABD900AM、Haynes 282
 
ニッケル合金がメタルPBFプロセスで商業利用可能になったのは2007年頃からです。
 
現在のニッケル合金需要は、Inconelファミリーの超合金—特にIN625とIN718合金—が支配的です。これらは、高硬度、高引張強度、そしておそらく最も重要な化学的・温度耐性を必要とする用途で顕著な能力を発揮するためです。
 
これら2合金に加え、主要金属企業から多くのニッケルクロム超合金が提供されています。いくつかのHaynes超合金、Hastelloy超合金、様々な形態のInconelが今やより確立されつつあります。
 
現在航空宇宙産業がニッケル基アディティブ製造の需要の大半を牽引していますが、石油・ガス、エネルギー、化学処理などの一般産業セグメントでも、ニッケル超合金3Dプリントには巨大な潜在力があります。
 

コバルト

 
AM対応合金: 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プリント向け最初の商業用コバルト超合金の発売は2006年に遡ります。以来、医療と航空宇宙産業の需要により材料使用が成長してきました。
 
コバルト超合金は、優れた機械的特性に加え、耐食性と高温耐性を備えます。コバルトクロム合金は特に、優れた生体適合性により医療（整形外科インプラント）と歯科用途に適しています。
 

鉄

 
AM対応合金：Invar 36、Fe-Si、Fe-Ni
 
いくつかのメタルPBFシステムメーカーは、ニッケル鉄合金であるInvar 36のプリントを可能にしています。これは極めて低い熱膨張で知られ、無線・電子デバイス、航空機制御、光学・レーザーシステムなど、広い温度範囲で高い寸法安定性を必要とする部品に使用されます。
 
主要金属粉末メーカーの一つHöganäsも、AMPERPRINTブランドで耐摩耗・耐摩耗・耐食性に優れた鉄基粉末を提供しています。
 

難融金属

 

 
難融金属は並外れた特性を持ちますが、同時に扱いが極めて困難です。
 
AMにおける難融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、多くの人気超合金を作ることです。
 
現在、AM向け難融金属粉末を提供している企業はわずかです。
 
最近TANIOBIS GmbHにリブランドされたH.C. Starck Tantalum and Niobium GmbHはその一社で、AM向けに設計されたアトマイズされたタンタルとニオブ（Ta/Nb）粉末とその合金を、AMtrinsicブランド名で提供しています。
 
TANIOBISは、タンタルとニオブの高融点、高耐食性、高熱伝導性・電気伝導性が、AMに新たな機会を開くと考えています。
 
こうした特性により、化学処理、エネルギー分野、様々な高温環境へのAM適用が可能になります。
 

拡大し続けるメタル3Dプリント粉末のラインアップ

 

 
メタルPBFでは、材料開発は進行中です。鋳造や切削など従来製造と比較すると、3Dプリント利用可能な金属の種類はまだ限られています。
 
一因は、AM向け新メタル粉末の開発に要する時間とリソース—場合によっては数年かかる—です。
 
もう一つの理由は、銅粉末のケースのように、他の金属とは異なるレーザー波長が必要など、ハードウェアの制約にあります。幸い、ハードウェア課題は克服されつつあり、プリント可能な金属の範囲をさらに拡大しています。
 
課題はありますが、メタルPBFの未来は明るく、生産採用が成長し、より多くの業界が技術を受け入れ始めています。これは、新たな応用を解き放ち、メタル3Dプリントを次のレベルへ引き上げる新材料ケミストリーへの注力増大を意味します。