3Dプリンティング技術は、粉末材料を使って物体を層ごとに造形します。適切な粉末を選択することは、部品の品質、機械的特性、精度、細部の解像度、表面仕上げにとって非常に重要です。この記事では、主要な3Dプリンティングプロセスで使用されるさまざまな種類の粉末の概要、その組成、主要特性、用途、および主要なグローバルサプライヤーについて説明します。
概要 3dプリンター用パウダーサプライヤー
アディティブ・マニュファクチャリングとしても知られる3Dプリンティングは、粉末状のポリマー、金属、セラミック、複合材料を原料として利用する。使用される技術や材料に基づき、粉末は特定の粒度分布、形態、流動特性、融点、その他の物理的・化学的属性を印刷プロセスに合わせて設計することができる。
3Dプリンター用粉末の種類
いくつかの主要な技術は、3Dオブジェクトを製造するために材料を層ごとに選択的に溶融・凝固させる粉末床溶融に依存しています。一般的なプロセスと関連する粉末には、以下のようなものがあります：
| プロセス | 材料 |
|---|---|
| 選択的レーザー焼結(SLS) | ナイロン、TPU、PEEKなどの熱可塑性パウダー |
| ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS） | アルミニウム、チタン、スチール合金などの金属粉末 |
| 電子ビーム溶解（EBM） | チタン合金、コバルトクロム、ステンレス鋼 |
| バインダー・ジェット | ステンレス鋼, 工具鋼, タングステンカーバイド |
| ステレオリソグラフィー（SLA） | セラミック懸濁フォトポリマー樹脂 |
SLS用ポリマー粉末の組成
選択的レーザー焼結は、粒度分布と形態が制御された微細なポリマー粉末に依存しています。一般的な材料は以下の通りです：
| ポリマー | 主要物件 | アプリケーション |
|---|---|---|
| ナイロン12 | タフネス、柔軟性 | 機能試作品、最終使用部品 |
| ナイロン11 | 高強度、耐熱性、生体適合性 | 航空宇宙、自動車、医療 |
| TPU | 弾性、耐摩耗性 | フレキシブル部品、スポーツ用品 |
| 覗き見 | 極端な温度/化学的耐性 | 航空宇宙、石油/ガス、医療 |
ナイロン12は、レーザー焼結に最も広く使用されているポリマーパウダーである。組成はベースナイロンポリマー、流動剤、その他の添加剤を含む：
ナイロン12パウダー組成
| コンポーネント | 機能 |
|---|---|
| ベースポリマー | 機械的特性、溶融挙動 |
| フロー・エージェント | 粉体の流れを改善し、凝集を抑える |
| アンチエイジング添加物 | 熱安定性を高め、材料の経時劣化を防ぐ |
AMプロセス用金属粉末の種類
粉末床溶融やバインダージェッティングに使用される一般的な金属粉末には、以下のようなものがある：
| 素材 | 合金／グレード | プロパティ | 主な用途 |
|---|---|---|---|
| アルミニウム | AlSi10Mg, AlSi7Mg | 軽量、耐食性 | 航空宇宙、自動車 |
| チタン | Ti-6Al-4V、Ti 6242 | 高い強度対重量比 | 航空宇宙、医療用インプラント |
| ステンレス鋼 | 316L、17-4PH、420 | 耐食性/耐熱性 | ポンプ、バルブ、工具 |
| 工具鋼 | H13, P20, D2 | 硬度、耐摩耗性 | 射出成形金型 |
| コバルト・クローム | Co28Cr6Mo | 生体適合性、耐疲労性/耐腐食性 | 歯科、医療 |
| インコネル | IN625、IN718 | 高温強度 | タービンブレード、ロケットノズル |
Ti-6Al-4Vのようなチタン合金は、DMLSやEBMを介して、航空宇宙、自動車、医療分野にわたる強靭で軽量な構造部品を製造するために広く使用されています。
金属粉末の組成と製造
ほとんどの市販金属粉末は、ガスまたは水噴霧化プロセスによって製造される。組成はチタンやアルミニウムのようなベース合金元素と他の合金成分を含む：
Ti-6Al-4V 粉末組成
| エレメント | 重量 % | 目的 |
|---|---|---|
| チタン（Ti） | バランス | 主要素 |
| アルミニウム（Al） | 5.5-6.75% | 強化 |
| バナジウム (V) | 3.5-4.5% | グレイン・リファインメント |
| 鉄（Fe） | < 0.3% | 不純物 |
金属AM粉末のその他の一般的な製造方法には、プラズマアトマイズ、電解、化学還元などがある。これらは、粒子形状、粒度分布、流動性、見かけ密度、微細構造などの粉末特性に影響を与える。
セラミック＆コンポジットパウダー
セラミックスや複合材料も、粉末床技術によって高性能部品を作ることができる：
| 素材 | プロパティ | アプリケーション |
|---|---|---|
| アルミナ | 高硬度、耐熱・耐食性 | 切削工具、摩耗部品 |
| 炭化ケイ素 | 超硬度、耐熱衝撃性 | 金属切断、研磨剤 |
| PEEKポリマー | 熱機械性能 | 航空宇宙用複合材料 |
| 連続繊維複合材料 | 高い強度対重量比 | 構造部品 |
フォトポリマー中に二酸化ケイ素ナノ粒子を懸濁させた光硬化性セラミック樹脂粉末は、高精度のステレオリソグラフィープリンターで一般的に使用されている。
パウダーの特性と仕様
3Dプリンター用パウダーは、粒度分布、形態、流量、密度、微細構造などの面で厳しい仕様を満たす必要があります。代表的な値を以下に示す：
ポリマーパウダー仕様
| パラメータ | 代表値 |
|---|---|
| 粒子径 | 15～150μm |
| 粒子形状 | 球形 |
| 見かけ密度 | 0.35～0.55g/cm3。 |
| 融点 | 172～185℃（ナイロン12） |
金属粉末の仕様
| パラメータ | 代表値 |
|---|---|
| 粒子径 | 15-45 μm |
| 見かけ密度 | 2.5～4.5g/cm3。 |
| 流量 | 25～35秒/50g |
| 酸化物含有量 | < 0.4 wt.% |
| 微細構造 | 完全高密度球形 |
メーカーは、物理的特性を明記した粉末材料データシート、化学組成試験報告書、粒度分布分析、流量測定、走査型電子顕微鏡画像を提供する。
3Dプリンティング粉末の用途
ポリマー・パウダーや金属パウダーは、多種多様な産業における最終用途部品の製造を可能にする。例えば、以下のようなものがある：
ポリマー部品
- 機能的プロトタイプ
- 自動車用ダクト、ハウジング
- 消費財、スポーツ用品
- 航空宇宙内装部品
金属部品
- 航空機エンジン／構造部品
- タービンブレード、インペラ
- バイオメディカルインプラント、デバイス
- 射出成形金型、切削工具
3Dプリンティングパウダーは、従来の鋳造や機械加工では達成できなかった機械的特性を強化し、複雑な形状を容易にします。
粉体サプライヤー
主要な3Dプリンティング技術向けに調整されたパウダーの世界的な主要サプライヤーには、以下のようなものがある：
ポリマー粉末
| 会社概要 | 材料 |
|---|---|
| BASF | ウルトラシント PA6、PA11、PA12、TPU |
| ヘンケル | ロックタイトPA12、PP、TPE |
| イーオーエス | PA2200、PA3200GF |
| エボニック | ベスチントポリマー |
金属粉
| 会社概要 | 材料 |
|---|---|
| エーピーアンドシー | チタン、ニッケル、コバルト合金 |
| サンドビック・オスプレイ | ステンレス鋼、工具鋼、超合金 |
| プラクセア | チタン、アルミニウム、コバルトクロム |
| GEアディティブ | ステンレス鋼、CoCr、インコネル |
これらの企業は、SLS、DMLS、EBM、バインダージェッティング向けに、特殊な粒度分布、形状、純度レベル、合金化学的性質を持つ幅広い材料グレードを提供している。
粉体コスト分析
材料コストは、金属AMを採用する際の重要な要因である。粉末の価格設定は、組成、製造方法、品質、注文量によって異なる：
| パウダー | 価格帯 |
|---|---|
| ナイロン12 | $60-100/kg |
| アルミニウム AlSi10Mg | $50-150/kg |
| チタン Ti-6Al-4V | $200-500/kg |
| ニッケル IN625 | $100-250/kg |
| コバルト・クローム | $150-600/kg |
ポリマー粉末は、エキゾチックな航空宇宙用合金に比べて40-90%安くなる。使用済みパウダーをふるい分けしてリサイクルし、新しいストックとブレンドすることで、材料コストを下げることができます。
パウダーベースAMの長所と短所
| メリット | 制限事項 |
|---|---|
| 他のプロセスでは不可能な複雑な形状 | 従来の工法に比べ、一般的に製造速度が遅い |
| アセンブリの統合、部品点数の削減 | パウダー除去/クリーンアップ後処理 |
| カスタマイズ合金、複合ブレンド | 異方性材料特性 |
| サブトラクティブ工法に比べ、機械加工を削減 | 一部のレーザー／電子ビーム加工における気孔率の問題 |
概要
要約すると、粉末床溶融とバインダージェッティングは、サイズ、形状、組成、微細構造を調整した、特別に設計されたプラスチック、金属、セラミック、または複合材料の粉末に依存しています。代表的なポリマーとしてはナイロン12、PEEK、TPUなどがあり、一般的な金属としてはアルミニウム、チタン、ニッケルベースの合金などがある。世界的なサプライヤーは、主要なAMシステムに有効な幅広い材料選択を提供しています。機械的要件と特性に適合する用途に特化したパウダーを選択することは、部品の性能にとって非常に重要です。
よくあるご質問
3Dプリンティングパウダーの主な種類は何ですか？
ナイロン12やPEEKなどのプラスチック、アルミニウム、チタン、工具鋼合金などの金属、アルミナや炭化ケイ素などのセラミックス、ポリマー／繊維複合材料の4つに大別される。
AMプロセスに最適なパウダーサイズは？
典型的な範囲は、金属で15～100ミクロン、ポリマーで15～150ミクロンである。粒度分布は密度、流動性、表面粗さ、精度、速度に影響する。
金属粉の製造にはどのような方法が使われているのですか？
一般的な技術には、アルゴンや窒素を用いた不活性ガスアトマイゼーションや水アトマイゼーションがある。ニッチ合金の中には、プラズマアトマイズ、電気分解、化学プロセスに依存するものもある。
AM用のパウダーのフィットネスはどのように評価するのですか？
主なパラメータは、粒度分布、流量、見かけ密度、形態、微細構造である。材料認証報告書では、化学組成、ガス／酸化物含有量、微量不純物が確認される。
3Dプリントされた粉末部品にはどのような後処理が必要ですか？
材料や工程にもよるが、一般的な工程には、寸法精度と希望の仕上げを達成するために、サポート除去、メディアブラスト、アニール、HIP、機械加工が含まれる。
金属AMパウダーの一般的なバルク価格帯は？
1-5kgのサンプルは$100-300/kg。10-100kgの典型的な大量注文は$60-250/kgです。500kgを超える大量注文は、一般的な航空宇宙/工具合金の場合、$30-150/kgに達します。
リサイクルパウダーは部品の品質や機械的性能にどのような影響を与えますか？
2-3回以上のリサイクルを繰り返すと、粒度分布の変化、コンタミネーション、サテライトの蓄積、密度の低下や機械的性質の低下を引き起こす粉末劣化の問題が発生します。新鮮なパウダーをブレンドすることで、この問題を解決することができます。
今後の金属粉に期待される改良点は？
主な重点分野は、カスタム合金、より優れた粉末拡散性と充填密度による迅速な造形、より低い気孔率と高密度による材料特性と表面仕上げの向上である。
