チタンを使用した3Dプリントのガイド

強く、軽く、耐食性があると考えてください。チタンをこのように求められている材料にする本質があります。チタンは、鋼と同じくらい強力ですが、密度が60％しかないという優れた材料特性で知られています。

チタンは、強度と密度の比率が高く、耐食性と耐薬品性に​​優れているため、航空宇宙や防衛などの高性能産業。

ここでは、チタン合金は、高温で機械的特性を保持できる軽量部品を必要とするアプリケーションで使用されます。

チタンも生体適合性で知られているため、インプラントなどの医療用途に最適です。

ただし、チタンにはさまざまな利点がありますが、依然として比較的高価な材料です。これは、金属が比較的少量で採掘され、未加工のチタンの処理が依然として複雑な作業であり、鋼などの代替金属よりも材料がかなり高価になるためです。

チタンが3Dプリントに適している理由は何ですか？

チタンは、特に機械加工に関しては、取り扱いが難しい金属になる可能性があります。一つには、チタンは熱伝導率が低いです。これは、たとえばCNCマシンで加工すると、発生した熱がCNCツールに蓄積されることを意味します。これにより、ツールがすぐに摩耗する可能性があります。

さらに、機械加工には材料の切断と除去が含まれるため、このプロセスでは大量の材料廃棄物が発生する可能性があります。その結果、多くの企業がチタン部品を製造するためのより良い代替品を探しています。

金属3D印刷は、その実行可能な代替手段であることが証明されています。

金属3D印刷で最も一般的に使用されるチタンのグレードは、合金Ti6Al4V（Ti64）です。 Ti64に加えて、純チタンで3Dプリントすることも可能です。

チタンを使用した3D印刷の利点

3Dプリントチタンには多くの利点があります。

航空宇宙用途では、チタンと3D印刷部品を使用すると、購入対飛行の比率を下げるのに役立つことがよくあります。航空宇宙産業に由来するこの用語は、最初に購入した材料の重量と完成品の重量との相関関係を指します。

たとえば、従来の製造では、チタン製航空機コンポーネントのバイツーフライ比は12：1〜25：1の場合があります。これは、1kgの部品を生産するために12〜25kgの原材料が必要であることを意味します。このシナリオでは、材料の最大90％が機械加工されます。

金属3D印刷により、チタンコンポーネントのこの比率を3：1〜12：1に減らすことができます。これは、金属3Dプリンターは通常、部品の作成に必要な量の材料のみを使用し、支持構造からわずかな廃棄物しか発生しないためです。チタンのような高価な材料の場合、この減少したバイツーフライ比によるコスト削減は非常に重要です。

追加製造は、トポロジー最適化のおかげでチタンの軽量特性を強化することもできます。トポロジ最適化ソフトウェアを使用して、エンジニアは負荷や剛性の制約などの特定の要件を設定し、ソフトウェアツールにそれらの要件を満たすように初期設計を最適化させます。この最適化により、不要な素材がデザインから削除され、軽量でありながら強力なコンポーネントが作成されます。

トポロジー的に最適化された設計は、多くの場合、添加剤製造技術の助けを借りてのみ製造できます。この利点は、軽量の3Dプリントチタン部品が軽量化と航空機の性能向上につながる可能性がある航空宇宙産業によって特に高く評価されています。

チタンをサポートするテクノロジーはどれですか？

チタン部品の作成に最も一般的に使用される3つの金属3D印刷方法は、直接エネルギー蒸着（DED）、電子ビーム溶解（EBM）、および選択的レーザー溶融（SLM）です。

直接エネルギー沈着

チタンを3Dプリントする最初の取り組みは、1997年に航空宇宙産業向けの部品を製造するためにDED技術を使用したAerometCorporationで始まりました。

DEDでは、レーザーやビームなどの高強度エネルギー源を使用して、チタン粉末（またはワイヤー）がノズルから基板上に堆積するときに溶融します。ここでの主な利点は、比較的高い材料堆積速度（最大320 cc / h）で大きな部品を作成できることです。

今日、Sciakyの電子ビームアディティブマニュファクチャリング（EBAM）やワイヤーアークアディティブマニュファクチャリング（WAAM）など、DEDテクノロジーにはさまざまなバリエーションがあります。

電子ビーム溶解

スウェーデンの企業であるArcamは、チタン3Dプリントのインプラントと航空宇宙部品を可能にするEBM技術を開発してきました。 EBMでは、電子ビームが金属粉末の層に適用され、前の層と溶融して融合します。

EBMはDEDよりも正確であり、小さくて複雑な部品に適していると考えられています。特に、EBMプロセスは真空中および高温で行われます。これにより、3D印刷された部品の残留応力が最小限に抑えられます。つまり、部品にその後の熱処理が不要になります。

2013年、Arcamは2台のAMマシン、ArcamQ10とArcamQ20をリリースし、それぞれ整形外科インプラントと航空宇宙産業を対象としました。 Arcam Q20は、特にTi6Al4V合金で動作するように設計されています。

Arcamは、チタンアルミニドなどの新しい亀裂が発生しやすいチタン合金を印刷できるArcam Spectra H3Dプリンターもリリースしました。

選択的レーザー溶融

EBMと同様に、SLMは粉末床溶融プロセスですが、電子ビームの代わりにレーザービームを使用して、金属粉末の層を溶融および溶融します。 SLMプロセスの1つの層の厚さは、20ミクロンまで薄くすることができるため、DEDやEBMと比較した場合、このテクノロジーははるかに正確になります。

チタン3D印刷のアプリケーション

航空宇宙は、チタン3D印刷の主要なアプリケーションを支配しています。とはいえ、医療、モータースポーツ、化学、海洋などの他の業界も、チタン部品を製造する技術を調査し始めています。

航空宇宙

航空宇宙企業にとって、チタンの3D印刷は、高負荷の構造物の重量を減らすのに役立ち、ジェットエンジン、ガスタービン、および多くの機体コンポーネントに非常に適しています。

最大の航空宇宙企業の多くは、3Dプリントされたチタン部品を航空機に組み込んでいます。

Liebherr-Aerospace＆Transportation SAS

たとえば、航空宇宙サプライヤーであるLiebherr-Aerospace＆Transportation SASは、今年初めにエアバスA350XWB用の3Dプリントチタン製前脚ブラケットの連続生産を開始しました。これらのブラケットは、3Dプリントされたチタンで製造された最初のエアバス部品になります。

ボーイングとノースクチタン

ボーイングもチタン3Dプリントに賭けています。 2015年以来、ボーイングはノルウェーの金属3D印刷会社であるNorsk Titaniumと提携して、787Dreamliner用の大型構造用チタン部品を製造しています。 2017年に、彼らはNorsk独自のRapid Plasma Deposition（RPD）テクノロジーの助けを借りて作られた、名前のないチタン部品をFAA認定しました。

DEDプロセスに基づいて、RDPはプラズマトーチ付きのチタンワイヤーを使用して、大きなチタン構造コンポーネントを印刷します。この技術は、粉末ベースのシステムよりも50〜100倍高速であり、鍛造プロセスよりも25〜50％少ないチタンを使用していると報告されています。リードタイムの​​加速と材料の無駄の削減により、ボーイングは航空機1機あたり最大300万ドル節約できます。

現在、チタン3D印刷は、ブラケットやハウジングなどの小型航空機コンポーネントで主に検討されています。ただし、将来的には、重量、コスト、および開発時間の節約により、その使用がはるかに大きな構造コンポーネントに拡大する可能性があります。

医療

チタンは非毒性、高強度、耐食性を備えているため、整形外科や歯科インプラントに魅力的な素材です。

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のインプラントを作成できます。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。

Osseusのチタン製脊椎インプラント

このようなデバイスを開発している会社の1つは、米国を拠点とするOsseus FusionSystemです。 Aries-L Interbody Fusion Devicesと呼ばれるその3D印刷されたチタン脊椎インプラントは、独自の多軸メッシュと最適化されたマイクロサーフェストポロジを備えており、骨をより速く融合させることができます。このような複雑な機能を可能にするために、OsseusはAriesデバイスをFDA検証済みのSLM3Dプリンターで印刷します。

脊椎、股関節、膝のインプラントなどの整形外科用デバイスでのチタン3D印刷の使用が増加しています。最近のSmartechのレポートによると、2020年までに、3Dプリントされたチタンの医療用途は約274,000kgのチタンを占めるようになるでしょう。これは、医療業界におけるチタン3D印刷の非常に前向きな見通しを設定します。

自動車とモータースポーツ

ブガッティのチタンブレーキキャリパー

航空宇宙や医療と比較して、自動車業界はチタン3D印刷を採用するのにそれほど迅速ではありませんでした。同じ利点が当てはまりますが、消費者向け自動車市場は非常にコストを意識しているため、ほとんどの車両でこの高価な材料の使用が制限されています。

現在、チタン3D印刷部品はレーシングカーや重量と性能が重要な要素である高級車。

自動車でチタン3D印刷を使用する最も顕著な例の1つは、ブガッティシロンスーパーカー用に開発されたブガッティのブレーキキャリパーです。

ブレーキシステムの重要な部分であるブレーキキャリパーは、41 x 21 x 13.6 cmの大きさで、SLMテクノロジーを使用して45時間で3Dプリントされました。完成した部品は、機械加工されたアルミニウムの代替品よりも約40％軽いと言われています。

昨年、同社はブレーキキャリパーのテストに成功し、極端な強度、剛性、温度の要件を満たすことができることを証明しました。

ブレーキキャリパーに加えて、ブガッティはアクティブスポイラーブラケットの製造にチタン3D印刷を使用しました。シーメンスとの提携により、この部品は強度を維持しながら軽量化するように最適化され、53％の軽量化と剛性の向上を実現しました。

HREの3Dプリントチタンホイール

米国のホイールリムメーカーであるHREは、チタン3D印刷の恩恵を受けているもう1つの会社です。 HREの主な目標は、ホイールリムの製造時に無駄になる材料の量を減らすことでした。

EBMテクノロジーを使用して、HRE 3Dは複雑な形状のホイールリムを印刷し、その過程で19％の軽量化を達成しました。

このアプリケーションの従来の製造方法では、発生する材料廃棄物は最大80％に達する可能性があります。 3D印刷の場合、HREは、無駄な材料が5％を超えないと述べています。

HREは、ホイールリムを、商用製品というよりも技術的なショーケースと見なしています。とはいえ、このプロジェクトでは、ホイールの設計と製造の将来がどうなるかを垣間見ることができます。

チタン3D印刷とモータースポーツ

モータースポーツでは、チタン3D印刷は、レーシングカーを含む高性能で軽量の車両を製造する上で「重要な戦略的役割」を果たします。

1つの例は、オックスフォードブルックスフォーミュラ学生チームからのものです。チームは、英国の製造技術センター（MTC）と協力して、車両の支柱を再設計し、EBM技術を使用して製造しました。このプロセスのおかげで、チームは50％の軽量化を達成しました。

チタン3D印刷の課題

チタン3D印刷の利点にもかかわらず、考慮しなければならないいくつかの課題があります。

1つ目は、添加剤技術でチタンを使用するための標準を開発する必要があることです。一部の企業はすでにこの方向に進んでいます。 2018年、ボーイングとエリコンは、チタン3D印刷の標準化と、印刷されたコンポーネントがFAAおよびDoDの飛行要件を確実に満たすようにすることに焦点を当てた5年間のパートナーシップに署名しました。

2番目の課題は、チタン粉末のコストが高いことです。たとえば、3D印刷用に最適化されたチタン粉末のコストは300ドルから600ドルの範囲です。

チタン1キログラムあたりの実際の材料費を削減するために、一部の粉末製造業者は代替の粉末製造方法を開発しました。たとえば、カナダのPyroGenesisは、チタンを含む金属粉末を25 kg / h以上で生成するNexGen™プラズマ噴霧システムを使用しています。より高い生産率により、同社は競争力のある低価格でチタンを生産することができます。

英国を拠点とする会社、Metalysisは、チタンの価格を下げることができる別の粉末製造方法を開発しました。この方法では、電気分解の形式を使用して、生の酸化チタンをチタン粉末に変換します。この技術の主な利点は、従来の粉末製造方法と比較して、環境に優しく、低コストであることにあります。

2018年9月、Metalysisは、他の合金に加えて、チタン粉末の商業生産を開始し、年間10〜100トンの金属粉末の供給を目指しています。

SmarTech Analysisによると、新しいチタン粉末製造方法がその可能性を発揮できれば、チタン1 kgの平均価格は2024年までに17％削減される可能性があります。

チタン3D印刷：優れた組み合わせ

チタン3D印刷は、航空宇宙、医療、自動車の分野で貴重な技術になっています。この主な理由は、チタンの優れた特性と3D印刷の無駄を減らし、複雑で軽量なデザインを作成する能力の組み合わせです。

今後、チタンのコストが下がり、より多くのアプリケーションが発見されるにつれて、チタン3D印刷は、はるかに幅広い産業にとって優れた製造代替品になるでしょう。