先進的3Dプリンティング向けトップ5金属粉末

本記事では、金属3Dプリンティング用の5種類の金属粉末を紹介します。それらはアルミニウム合金、マグネシウム合金、ステンレス鋼、耐熱合金、チタン合金です。

3Dプリンティング技術とは？

3Dプリンティングは一種のラピッドプロトタイピング技術であり、原材料を層ごとに積み重ねて三次元立体モデルの製造を完了する技術です。デジタルモデルファイルに基づき、結合可能な材料（プラスチックや金属粉末など）を使用し、層ごとのプリントによって三次元オブジェクトを構築します。

3Dプリンティング技術の応用

3Dプリンティングは一般的にデジタル技術材料プリンターを使用します。金型製造、工業デザインなどの分野でモデル作成に使用されます。技術の発展と成熟に伴い、一部の製品やコンポーネントの直接製造に徐々に使用されるようになりました。3Dプリンティング技術は、履物、工業デザイン、ジュエリー、医療、自動車、航空宇宙、教育、建築、土木工学など多くの分野で既に役割を果たしています。

金属3Dプリンティングについて

近年、金属3Dプリンティングは将来の製造業の主要な発展方向と見なされており、その発展速度は非金属3Dプリンティングを大きく上回っています。金属プリントの材料基盤として、金属粉末材料も3Dプリンティング技術開発の重要なブレークスルーポイントです。金属粉末材料の種類に関する研究では、現在5種類の金属粉末材料があります：チタン合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、超合金、ステンレス鋼。

1. チタン合金

チタン合金は高強度、高熱強度、良好な耐食性、良好な低温性能、高い化学活性の利点を持ち、スポーツ用品、化学工業、原子力産業、医療機器、航空宇宙などの分野で広く使用されています。現在、多くの国がチタン合金材料の重要性を認識しています。

チタン合金は航空宇宙産業で使用される新しい重要な構造材料です。チタン合金は主に航空機エンジンコンプレッサー部品の製造に使用され、次いでロケット、ミサイル、高速航空機の構造部品に使用されます。

従来の鍛造・鋳造技術で製造されたチタン合金部品は、ハイテク分野で広く使用されてきました。

切削加工では、チタン合金の変形係数が小さく、切削温度が高く、工具が摩耗しやすく、単位面積あたりの切削力が大きいです。チタン合金の耐摩耗性が悪く加工性が悪いことと相まって、チタン合金の機械加工は非常に困難で、生産プロセスが複雑です。また、チタン合金は熱加工中に水素、酸素、窒素、炭素などの不純物を吸収しやすいです。

したがって、従来の鍛造・鋳造法でチタン合金部品を製造すると、コストが高く、材料利用率が低く、加工が困難で、生産プロセスが複雑になります。これらの困難により、チタン合金の広範な応用が妨げられてきました。

社会の発展に伴い、金属3Dプリンティング技術の使用で上記問題を解決できるため、3D技術は近年チタン合金部品を直接製造する新技術となっています。

2. アルミニウム合金

アルミニウム合金は、高比強度、軽量、良好な流動性、強い金型充填能力、良好な耐食性、低融点、良好な鋳造性、塑性加工性など、優れた物理的・化学的・機械的特性を持ち、航空宇宙、海洋産業、化学工業、金属包装、建設、電気機械、日用品産業で広く使用されています。

しかし、選択的レーザー溶融では、アルミニウム合金自体の特性が製造をより困難にしています。現在、選択的レーザー溶融では、アルミニウム合金の酸化、残留応力、気孔欠陥、密度などの問題が残っています。

3. マグネシウム合金

マグネシウム合金は、低密度、良好な放熱性、高強度、大きな弾性率、良好な衝撃吸収性、アルミニウム合金より大きな衝撃荷重容量、有機物とアルカリに対する良好な耐食性を特徴とします。主に航空、宇宙、輸送、化学工業、ロケットなどの分野で使用されます。さらに、多くの応用分野でマグネシウム合金は鋼とアルミニウム合金を置き換える可能性を持っています。

選択的レーザー溶融では、鋳造よりも高い硬度と強度でマグネシウム合金を成形できます。

4. ステンレス鋼

ステンレス鋼自体の優れた耐食性により、高温でも優れた物理的・機械的特性を維持できます。また、粉末の成形性が良く、調製プロセスがシンプルでコストが低いため、3Dプリンティング分野でもステンレス鋼は広く使用されています。

現在、ステンレス鋼の選択的レーザー溶融に関する研究は、主に強度向上と気孔率低減に焦点を当てています。

5. 耐熱合金

耐熱合金とは、鉄、ニッケル、コバルトを基盤とし、600℃以上の高温で一定の応力下で長時間作動できる金属材料の一種です。優れた高温強度、良好な酸化耐性と高温耐食性、良好な疲労特性、破壊靭性などを持ちます。主に航空宇宙、エネルギーなどで使用されます。

耐熱合金の加工表面品質はその性能において非常に重要な役割を果たします。しかし、耐熱合金は典型的な難削材であり、加工中に加工表面品質の低下と工具の激しい破損がしばしば発生します。これは微細強化項目の高硬度、激しい加工硬化、高せん断応力抵抗と低熱伝導率、切削領域での高切削力と高切削温度によるものです。

社会の発展に伴い、3Dプリンティング技術は耐熱合金成形の技術的ボトルネックを解決する新しい方法となっています。

結論

金属粉末3Dプリンティング技術は一定の成果を上げていますが、印刷材料の制約が3Dプリンティング技術の発展に影響を与えます。今日、工業利用に適した多くの種類の3Dプリンティング金属材料がありますが、専門的な金属粉末材料のみが生産要件を満たせます。

3Dプリンティング金属材料の開発においては、既存材料を基盤として材料構造と特性の関係研究を強化し、材料特性に応じてプロセスパラメータを最適化し、印刷速度を向上させ気孔率と酸素含有量を低減し、表面品質を改善する必要があります。同時に、3Dプリンティングに適した新材料の開発も必要です。