3Dプリンティング用金属材料の概要
3Dプリンティングは、次のように知られている。 アディティブ・マニュファクチャリング3Dプリントは、3D CADデータから複雑な金属部品を直接作成することができます。CNC機械加工のような従来の減法的手法とは対照的に、3Dプリンティングは専用の工具や治具を必要とせずに、パーツを層ごとに作り上げます。
金属3Dプリンティングは、複雑な形状を持つカスタマイズされた軽量かつ高性能な金属部品を製造するための新たな可能性を開きます。航空宇宙、自動車、医療、防衛産業では、最終用途の生産アプリケーションに金属3Dプリンティングを採用する動きが加速しています。
しかし、すべての金属が簡単に3Dプリントできるわけではない。最も一般的に使用される金属材料は、アルミニウム、チタン、ニッケル、ステンレス鋼、コバルトクロム合金である。材料の選択は、強度、耐腐食性、高温性能、生体適合性など、特定の用途要件によって異なります。
この包括的なガイドでは、3Dプリントで使用されるさまざまな金属と合金の詳細な概要を説明します。一般的な金属材料の組成、特性、用途、長所と短所について説明し、ニーズに合った材料を選択できるようにします。
金属3Dプリンティング材料に関する主要な要点：
- アルミニウム合金は、優れた強度対重量比と耐食性を低コストで提供する。
- チタン合金は、低密度で優れた強度を持ち、医療用として生体適合性があります。
- ステンレス鋼は、工具や機能部品として高い強度と耐食性を持っています。
- ニッケル超合金は高温に耐えることができるため、航空宇宙分野に適している。
- コバルトクロム合金は、歯科用および医療用インプラントに硬度、耐摩耗性、生体適合性を提供する。
- 材料の選択は、機械的要件、後処理の必要性、コスト、3Dプリント方法の適合性によって決まる。
- 部品の向き、支持構造、層厚、造形パラメータは、それぞれの金属材料に合わせて最適化する必要がある。
- 熱間静水圧プレスのような後加工は、最終的な部品の特性を向上させることができる。
3Dプリンティング用金属材料の組成
金属に含まれる合金元素の組成と微細構造によって特定の特性が得られ、3Dプリントに適した材料が決まる。
アルミニウム合金
アルミニウムは密度が低く、耐食性に優れていることで知られています。鍛造アルミニウム合金と鋳造アルミニウム合金が最も一般的に使用されています：
| 合金タイプ | 作曲 |
|---|---|
| 6061 | Mg、Si、Cu、Cr |
| 7075 | Zn、Mg、Cu、Cr |
| A356 | Si、Mg、Cu |
6061は耐食性に優れ、7075は強度が高い。A356は鋳造可能な合金である。
チタン合金
チタンは高い強度対重量比と生体適合性を持つが、機械加工は難しい。一般的な合金：
| 合金タイプ | 作曲 |
|---|---|
| Ti-6Al-4V | Al、V |
| Ti 6242 | Al, Sn |
Ti-6Al-4Vは特性のバランスが最も良く、最も広く使用されているチタン合金です。
ステンレス鋼
ステンレス鋼は耐食性に優れるCrとNiを含む。使用される合金もある：
| 合金タイプ | 作曲 |
|---|---|
| 316L | Ni、Mo、Cr |
| 17-4PH | Ni、Cr、Cu |
| 303 | S、Cr、Ni |
316Lは耐食性に優れています。17-4PHは析出硬化マルテンサイト系ステンレス鋼です。
ニッケル超合金
ニッケル超合金は強度が高く、極端な温度にも耐える。一般的な合金：
| 合金タイプ | 作曲 |
|---|---|
| インコネル718 | Ni、Cr、Fe、Nb、Mo |
| インコネル625 | Ni、Cr、Mo、Nb |
インコネル718は、航空宇宙用途に広く使用されている。インコネル625は耐食性に優れている。
コバルトクロム合金
コバルトクロム合金は、硬度、耐摩耗性、生体適合性を提供する。主に2つのグレードが使用される：
| 合金タイプ | 作曲 |
|---|---|
| CoCrMo | Co、Cr、Mo |
| CoNiCrMo | Co、Ni、Cr、Mo |
どちらも似たような特性を持つ。CoCrMoの方が広く使用されている。
金属材料の機械的性質
金属の機械的特性は、3Dプリント部品の性能を決定します。以下は、一般的に使用される合金の代表的な特性です：
| メタル素材 | 降伏強度 (MPa) | 引張強さ (MPa) | エロンゲーション（%） | 密度(g/cm3) |
|---|---|---|---|---|
| AlSi10Mg | 230 | 450 | 8 | 2.68 |
| Ti-6Al-4V | 880 | 930 | 10 | 4.43 |
| 316Lステンレス鋼 | 290 | 515 | 40 | 8 |
| インコネル718 | 1138 | 1275 | 12 | 8.19 |
| インコネル625 | 550 | 860 | 35 | 8.44 |
| CoCrMo | 655 | 860 | 8 | 8.3 |
- アルミニウム合金は、優れた伸びを持つ中程度の強度を提供する。
- チタン合金は、その低密度を考えると非常に高い強度を提供する。
- ステンレス鋼316Lは、優れた延性と優れた耐食性を備えています。
- インコネル超合金は非常に強度が高いが、延性は低い。
- コバルトクロムは硬度が高く、印刷後の加工が難しい。
金属3Dプリンティングの用途
材料の選択は、最終用途と具体的な設計要件によって決まる：
| 産業 | アプリケーション | 使用材料 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | タービンブレード、構造用ブラケット | チタン合金、インコネル、ステンレス鋼 |
| 自動車 | カスタム部品、金型 | アルミニウム、低合金鋼 |
| メディカル | インプラント、手術器具 | チタン、コバルトクロム |
| 石油・ガス | バルブ、ポンプ、工具 | ステンレス鋼、インコネル |
| ディフェンス | 複雑な部品、軽量アーマー | アルミニウム、チタン |
3Dプリントされた金属部品を活用する代表的なアプリケーションをいくつかご紹介します：
- 航空宇宙複雑で軽量なブラケットと構造部品
- 自動車モータースポーツ用カスタマイズ部品
- メディカル患者専用インプラントおよび手術器具
- 石油とガスパイプライン用高性能バルブとポンプ
- 防衛車両および装備品用の詳細かつ軽量な部品
主要金属材料の長所と短所
ここでは、3Dプリンティングで使用される一般的な金属合金の利点と限界を比較する：
| 素材 | 長所 | 短所 |
|---|---|---|
| アルミニウム6061 | 低コスト、良好な耐食性 | 強度が低い |
| アルミニウム 7075 | 高い強度対重量比 | 溶接が難しい |
| チタン Ti-6Al-4V | 高強度、低密度 | 高価な素材 |
| ステンレススチール316L | 優れた耐食性 | 合金より強度が低い |
| インコネル718 | 極端な温度に耐える | 機械化への挑戦 |
| コバルト・クローム | 優れた耐摩耗性と生体適合性 | 限られた延性 |
金属3Dプリンティング材料のサプライヤー
多くの企業が、3Dプリントプロセス専用の金属粉末やワイヤーを提供している：
| 素材 | 主要サプライヤー |
|---|---|
| アルミニウム合金 | AP&C、サンドビック、HCスタルク |
| チタン合金 | AP&C、TLSテクニク、テクナ |
| ステンレス鋼 | サンドビック、カーペンター・アディティブ |
| ニッケル超合金 | AP&C、サンドビック、プラクセア |
| コバルトクロム合金 | AP&C、サンドビック、SLMソリューションズ |
粉末の品質、一貫性、粒子形状、粒度分布などの要素は、最終的な部品の特性や印刷プロセスの安定性に影響します。評判の高いサプライヤーは、AM用に調整された、よく特性化されカスタマイズされた合金を提供しています。
金属3Dプリンティング材料のコスト分析
金属3Dプリントでは、材料費が最終的な部品コストの大部分を占めます。下記はおおよその価格帯です：
| 素材 | Kgあたりのコスト | 1cm3あたりのコスト |
|---|---|---|
| アルミニウム合金 | $50-$150 | $0.15-$0.45 |
| チタン合金 | $350-$1000 | $1.00-$3.00 |
| ステンレス鋼 | $90-$250 | $0.25-$0.75 |
| インコネル718 | $350-$600 | $2.50-$4.50 |
| コバルト・クローム | $500-$1200 | $3.50-$8.50 |
- チタンとコバルトクロム合金が最も高価で、アルミニウムは中程度の価格だ。
- 材料費は製造量に比例し、高価な合金を使用した大きな部品には、より高い材料費が必要となります。
- サポート廃棄物や後処理を減らすための最適化は、有効材料コストの低減に役立つ。
金属粉末の規格
再現性のある高品質のプリントを保証するために、3Dプリントに使用される金属粉末は一定の最低基準を満たさなければならない：
| プロパティ | 主要規格 |
|---|---|
| 粒度分布 | ASTM B822、ISO 4490 |
| 流動性 | ASMB213、ISO 4490 |
| 見かけ密度 | ASMB212、ISO3923 |
| タップ密度 | ASMB527、ISO3953 |
| 化学組成 | ASTM E1479、OES分析 |
- パウダーの品質は、密度、表面仕上げ、機械的特性などの最終的な部品特性に影響を与えます。
- 粒度分布が制御された球状粉末は流動性に優れている。
- 一貫した化学的性質と密度は、プロセスの安定性と再現性を提供する。
金属の3Dプリント法
さまざまな3Dプリンティング技術は、金属や合金を加工することができる：
| 方法 | 材料 | 主なメリット | 制限事項 |
|---|---|---|---|
| パウダーベッド・フュージョン | ほとんどの合金 | 優れた精度と表面仕上げ | 遅いビルドレート |
| 直接エネルギー蒸着 | ほとんどの合金 | 既存部品へのビルトアップ機能 | 低解像度 |
| バインダー・ジェット | ステンレス | 高速印刷 | 強度が低い |
| 金属押出 | 限定合金 | 低い設備コスト | 低密度 |
- DMLSのような粉末床技術は、最高の解像度と精度を提供する。
- バインダージェッティングは、より幅広い合金に対応できるが、最終的な部品強度は低くなる。
- 指向性エネルギー蒸着は、大きなニアネットシェイプの部品の印刷を可能にする。
後処理の要件
アズプリント金属部品は通常、所望の特性を得るために後加工を必要とする：
| ポストプロセス | 目的 | 使用材料 |
|---|---|---|
| サポート解除 | 支持構造を取り除く | 薄く壊れやすい支持体を持つ合金 |
| ストレス解消 | 残留応力の低減 | 全合金 |
| 熱間静水圧プレス | 密度を高め、物件を強化する | 全合金 |
| 表面仕上げ | 表面粗さの改善 | 全合金 |
| 熱処理 | 微細構造を修正する | アルミニウムのような時効硬化性合金 |
| 機械加工 | 正確な寸法と表面仕上げ | ほとんどの合金 |
- 歪みを防ぐため、すべての合金に応力除去熱処理を推奨する。
- HIP処理は、最終的な材料特性を大幅に向上させることができる。
- CNC加工は寸法精度と表面仕上げを提供する。
3Dプリント用金属材料の選び方
最適な金属材料を選択するためのガイドラインに従ってください：
- 合金の特性を、強度、硬度、耐熱性などの設計要件に適合させる。
- 後加工の必要性を考慮する-インコネルのような一部の合金は加工が難しい。
- 部品のサイズと形状を評価する - アルミニウムのような一部の金属は、より大きな部品に適しています。
- 生産量を評価する-より安価な材料で試作し、その後より高性能な合金に切り替える。
- 設計の初期段階で、材料の入手可能性とコストを考慮する。
- 3Dプリントサービスプロバイダーと緊密に連携して、最適な材料を選択しましょう。
- 選択された特定の合金に基づいて、配向や層厚などの印刷パラメータを最適化します。
- 生産開始前にテストビルドと材料特性試験を行う。
よくあるご質問
Q: 3Dプリンティングで最も強度の高い金属合金はどれですか？
A: インコネル718のようなインコネル超合金は最も高い引張強度を持つが、延性に劣る。チタンTi-6Al-4Vは最も高い強度重量比を持つ。
Q: ステンレス鋼で3Dプリントされた部品は耐食性がありますか？
A: はい、316Lやその他のステンレス合金は、3Dプリント後も優れた耐食性を維持します。
Q: 3Dプリンティングで最もよく使われるチタン合金は何ですか？
A: Ti-6Al-4V は最も人気のあるチタン合金で、全てのチタン3Dプリンティングの90%を構成しています。最もオールラウンドな特性を提供します。
Q: 3Dプリントに最適なアルミニウム合金はどれですか？
A：6061と7075が最も広く使用されており、6061は低コストで耐食性に優れ、7075は高強度構造用途に選ばれています。
Q: 金属3Dプリント部品の後処理は必須ですか？
A: 最適な材料特性と性能を得るためには、サポート除去、応力除去、表面仕上げなどの後処理を行うことを強くお勧めします。
Q: 最も幅広い金属合金に対応する3Dプリントプロセスはどれですか？
A: バインダージェットと指向性エネルギー蒸着はほとんどの合金に対応できますが、粉末床溶融はより高解像度の部品を製造します。
Q: 金属の機械加工と3Dプリントでは、部品の精度はどう違うのですか？
A: CNC機械加工部品は、3Dプリント金属よりも公差が厳しく、表面仕上げが優れています。しかし、3Dプリントはより複雑な形状を可能にします。
Q: 造形速度が最も速い金属3Dプリントプロセスはどれですか？
A: バインダージェットは最高の印刷速度を達成することができ、パウダーベッド溶融プロセスよりも最大10倍速くパーツを作ることができます。
