概要 3Dプリンティングチタン粉
チタンは、航空宇宙、自動車、医療、その他要求の厳しい用途向けの複雑な形状を3Dプリントするのに理想的な、強靭で軽量な耐食性金属です。チタン粉末は、選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）のような粉末溶融技術を使用して、優れた機械的特性を持つフル密度の金属部品をプリントするために使用することができます。
この記事は、組成、特性、仕様、アプリケーション、長所/短所、サプライヤー、コストなどをカバーする3dプリンティングチタンパウダーの包括的なガイドを提供します。
構成 3Dプリンティングチタン粉
積層造形用のチタン粉末は、ほぼ完全にチタン元素で構成されている。しかし、アルミニウム、バナジウム、鉄、酸素、窒素、炭素などの他の元素が少量含まれることもある。
粉末冶金用チタングレード
| グレード | 構成 |
|---|---|
| チタン 6Al-4V | 90%チタン、6%アルミニウム、4%バナジウム |
| Ti 6Al-4V ELI | Ti 6Al-4Vと同じだが、格子間酸素、鉄、窒素の下限値が低い |
| 純チタン グレード1 | 99.2% 最小チタン |
| 純チタン グレード2 | 99.5% 最小チタン |
| 純チタン グレード3 | 99.8% 最小チタン |
| 商業純チタン グレード4 | 99.9% 最小チタン |
Ti 6Al-4Vは、その優れた強度重量比、溶接性、耐食性により、今日の積層造形で最も一般的に使用されている鋼種である。ELI変種は延性と破壊靭性が改善されている。
市販の純チタングレードは強度は低いが、医療用インプラントとしては生体適合性に優れている。酸素含有量の高いグレード5のチタンは、一般的に粉末床融合には使用されません。
の性質 3Dプリンティングチタン粉 部品
3Dプリンターで製造されたチタン部品は、従来製造されているチタンと同等かそれ以上の特性を達成することができ、さらに設計の自由度という利点もあります。
機械的特性
| プロパティ | チタン 6Al-4V | Ti 6Al-4V ELI | CPチタン グレード2 |
|---|---|---|---|
| 引張強度 | 930 - 1050 MPa | 860 - 965 MPa | 345 - 485 MPa |
| 降伏強度 | 825 - 890 MPa | 795 - 875 Mpa | ≥ 275 MPa |
| 破断伸度 | 8 – 15% | ≥10% | 20% |
| 疲労強度 | ≥ 400 MPa | ≥ 550 MPa | 275 - 550 MPa |
| 破壊靭性 | 55 - 115 MPa√m | ≥ 100 MPa√m | 該当なし |
Dプリンティングチタンは、従来のチタン製造方法に匹敵する剛性、硬度、耐摩耗性を持っています。熱間静水圧プレス（HIP）のような後加工は、材料特性をさらに向上させることができる。
メリット
- 高い強度対重量比
- 耐食性
- 生体適合性とオッセオインテグレーション
- トポロジー最適化のための設計自由度
- 減算法に比べて廃棄物を削減
- コンフォーマル・クーリング・チャンネルが性能向上を実現
制限事項
- 酸素との反応性が高く、取り扱いが難しい
- 気孔のような印刷欠陥は疲労寿命を低下させます。
- 高価な粉末材料とリサイクルの課題
- 材料規格を達成するために後加工が必要な場合がある。
仕様 3Dプリンティングチタン粉
積層造形に使用されるチタン粉末は、粒度分布、形態、化学的性質、その他の属性に関する厳格な基準を満たす必要があります。
サイズ分布
| パラメータ | 代表値 | 役割 |
|---|---|---|
| 粒子径範囲 | 15～45ミクロン | 最小フィーチャ分解能、パウダーの拡散性を決定 |
| D10 | 20ミクロン | より微細な粉体を示す |
| D50 | 30ミクロン | 粒子径の中央値 |
| D90 | 40ミクロン | 粒子が大きいことを示す |
| 見かけ密度 | 2.7 g/cc | パウダーベッドの充填密度、再現性に影響 |
パウダーがスムーズに広がるよう、サテライトの少ない球形に近い形態でなければならない。化学的性質は、不純物レベルの低いグレード仕様に適合していなければならない。
その他の重要な特性
- 流動性
- 残留酸素および窒素含有量
- 見かけ密度およびタップ密度の一貫性
- リサイクル性
- プロセスとの化学的適合性
- ハンドリング特性
各パラメーターに対する厳しい品質要件を満たすことは、欠陥のない製造に不可欠である。
の応用 3Dプリンティングチタン粉
3Dプリンティングはチタンの設計の自由度を拡大し、以下のような産業での採用を促進する：
航空宇宙
- 構造用ブラケット
- 軽量格子
- エンジン部品
自動車
- モータースポーツギア
- カスタマイズ部品
医療・歯科
- 整形外科インプラント
- 手術器具
- 患者固有の補綴物
石油・ガス
- 耐腐食性バルブ
- 特注管継手
消費者製品
- スポーツ用品
- 時計ケース
- メガネフレーム
最適化されたトポロジーとコンフォーマル冷却により、多くのチタンプリント部品で性能向上が可能になった。
3dプリンティング用チタン粉末のサプライヤー
ほとんどのチタン粉末サプライヤーは、積層造形用に調整されたTi 6Al-4Vグレードを提供しています。また、カスタム合金設計サービスを提供しているところもあります。
チタンパウダーの主要企業
| 会社概要 | 対象学年 | サービス |
|---|---|---|
| エーピーアンドシー | Ti 6Al-4V、Ti 6Al-4V ELI | カスタム合金の開発 |
| テクナ | Ti 6Al-4V、Ti 6Al-4V ELI | 高度なプラズマ球状化 |
| カーペンター添加剤 | Ti 6Al-4V、Ti 6Al-4V ELI | 広範なQAテスト |
| プラクセア | チタン 6Al-4V | 窒素噴霧 |
| 時代 | 市販の純チタン | 少量注文 |
EOSやSLMソリューションズのような多くの3DプリンターOEMも、関連するチタンパウダーを提供しています。リサイクルパウダーは低コストですが、不純物レベルが高くなります。
チタン粉末コスト
| グレード | 形態学 | 価格帯 |
|---|---|---|
| チタン 6Al-4V | 球形 | $350-$1000/kg |
| Ti 6Al-4V ELI | 球形 | 1kgあたり$500-$2000 |
| CP Tiグレード1～4 | 不規則 | $100〜$500/kg |
コストは、注文量、品質、サプライヤーのマージン、リサイクルなどに大きく左右される。
の長所と短所 3Dプリンティングチタン粉
チタン3Dプリンティングの利点
- 優れた機械的特性
- 高い生体適合性
- 耐食性と耐熱性
- 低密度が軽量設計を可能にする
- トポロジー最適化のための設計自由度
- カスタム部品の納期短縮
- 機械加工に比べて廃棄物を削減
チタン3Dプリンティングの欠点
- チタンパウダーは高価
- 反応性が取り扱い上の問題を引き起こす
- 気孔の欠陥は疲労強度を制限する
- 後処理が必要な場合がある
- 粉体のリサイクルには汚染リスクがある
- 航空宇宙品質のサプライヤーは限られている
技術、生産性、品質の継続的な向上により、3Dプリンティングは、他の方法では実現不可能なチタンの使用例を可能にする。
チタンプリント工程の比較
選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）のような粉末床溶融技術は、今日、チタンの3Dプリントに主に使用されている。
選択的レーザー溶融（SLM）
- より高い解像度と表面仕上げ
- より速いビルドスピードが可能
- ビルド・チャンバー・サイズの制限
電子ビーム溶解（EBM）
- 真空中で高密度部品を製造
- 優れた機械的特性
- 大量生産が可能
- SLMより造型速度が遅い
指向性エネルギー蒸着（DED）
- 既存部品の修理
- 鋳造または鍛造部品に特徴を加える
- 3Dプリントと機械加工の組み合わせ
- パウダーベッド法よりも高い気孔率
チタン印刷には、それぞれのプロセスに利点とトレードオフがある。プロセスを組み合わせたハイブリッド製造は柔軟性を提供します。
チタン粉末と印刷部品の規格
金属積層造形の急速な進歩に伴い、品質基準も進化し続けています。主な規格には次のようなものがあります：
- ASTM F2924 - 粉末床溶融法によるチタン-6アルミニウム-4バナジウム積層造形の標準仕様
- ASTM F3001 - 粉末床溶融によるチタン-6アルミニウム-4バナジウムELI（超低間充てん）積層造形標準仕様書
- ASTM F3184 - 粉末床溶融法によるステンレス合金積層造形標準仕様書
- ISO/ASTM 52921 - 積層造形に関する標準用語集
これらの自主的なコンセンサス規格は、重要な粉体および印刷されたままの部品属性の受け入れ基準を定義するのに役立ちます。アプリケーションごとのユーザーによる部品認定は、依然として不可欠です。
よくあるご質問
3Dプリンティングに最適なチタン合金は？
Ti 6Al-4Vは、その優れた機械的特性と耐食性に加え、商業的に入手可能であることから、現在、積層造形に使用される最も一般的なチタン合金粉末です。Ti 6Al-4V ELIは破壊靭性を改善します。
どのような方法でチタン部品を3Dプリントできますか？
選択的レーザー溶融（SLM）と電子ビーム溶融（EBM）は、チタンの印刷に使用される主要な粉末床溶融技術である。指向性エネルギー蒸着（DED）法も可能ですが、空隙が多くなります。
チタンは3Dプリント時にサポートが必要ですか？
はい、チタンは凝固が早いため、印刷時にサポートが必要です。表面の欠陥や材料の無駄を避けつつ、適切な固定を行うには、慎重に最適化されたサポートが必要です。
チタンを3Dプリントするのと機械加工するのでは、どちらが安いですか？
ワンオフのカスタムパーツの場合、金型が不要なため、3Dプリンティングチタンの方が安価な場合が多いです。大量生産の場合、チタンのCNC機械加工は部品あたりのコストは低くなりますが、初期設定費用と材料の無駄が多くなります。
どのような産業で3Dプリンターによるチタン部品が使われていますか？
航空宇宙産業は、複雑な部品における購入対飛行比の改善により、現在チタンプリントを最も多く採用している。医療、自動車、石油・ガス、スポーツ用品、消費者セクターも3Dプリントチタンを活用しています。
3Dプリント用のチタンパウダーの価格は？
チタン粉末は、組成、品質、注文量、その他の要因によって、1kgあたり$100-2000の範囲となります。重要な用途向けのTi 6Al-4VおよびTi 6Al-4V ELI球状粉末は、$500/kgを超えるプレミアム価格が要求されます。
3Dプリンターで作られたチタン部品の例を教えてください。
3Dプリンティングは、機体ブラケット、タービン、モータースポーツ部品、カスタマイズされた人工装具、共形冷却射出成形金型、さらには複雑な格子デザインを活用した眼鏡や宝飾品などの革新的なチタン部品を可能にする。
