積層造形3Dプリンティングとも呼ばれ、金属粉末を原料として金属部品や製品を1層ずつ造形する。金属粉末の特性と特性は、3Dプリントされた金属部品の品質、機械的特性、精度、性能に大きな影響を与えます。この記事では、積層造形用の金属粉末の包括的な概要を紹介する。
積層造形用金属粉末の種類
3Dプリンティング技術で使用できる粉末状の金属や合金には、さまざまな種類があります。最も一般的に使用される金属粉末は以下の通りです：
積層造形用金属粉末の種類
| 金属粉末 | 主な特徴 |
|---|---|
| ステンレス鋼 | 優れた耐食性、高強度、高硬度。オーステナイト系、マルテンサイト系、二相鋼、析出硬化鋼種があります。 |
| アルミニウム合金 | 軽量、高強度対重量比。Al-SiおよびAl-Mg合金が一般的。 |
| チタン合金 | 高強度重量比、生体適合性。Ti-6Al-4Vが最も一般的。 |
| コバルト・クロム | 優れた耐摩耗性と耐食性。生体用インプラントに使用される。 |
| ニッケル合金 | 高温強度、耐食性。インコネルとハステロイのグレード。 |
| 銅合金 | 高い熱伝導性と電気伝導性。黄銅、青銅グレードあり。 |
| 貴金属 | 優れた化学的安定性。ジュエリーに使用される金、銀、プラチナ。 |
金属粉末の粒子形状、粒度分布、流動特性、微細構造は、製造方法によって大きく異なる可能性がある。これは3Dプリンティング中の充填密度、展延性、焼結挙動に影響する。
金属粉末の製造方法
積層造形用の金属粉末の製造には、いくつかの製造技術がある：
金属粉末の製造方法
| 方法 | 説明 | 粒子特性 |
|---|---|---|
| ガス噴霧 | 溶融した金属流を高圧の不活性ガスで微粒化し、微細な液滴にして凝固させ、球状の粉末粒子にする。 | 優れた流動性制御された粒度分布球状形態 |
| 水の霧化 | 溶融金属の流れが高速ジェット水流によって液滴に分解される。急速な急冷により、粉末の形状が不規則になる。 | より多くの汚染。粒度分布が広い。サテライトを含む不規則な粒子形状。 |
| プラズマ霧化 | 溶融金属をプラズマジェットで噴霧して製造する金属粉末。冷却速度が速いため、微細で球状の粉末が得られる。 | 非常に微細な球状粉末粒度分布が制御されている。反応性合金に使用。 |
| 電極誘導溶解 | 金属ワイヤーが溶解室に供給され、誘導コイルによって溶解される。液滴はチャンバーを通って落下し、凝固して粉末になる。 | 中程度の粒子径。粒子上の衛星形成。 |
| 機械研磨 | 機械的な粉砕や研削によって作られる粗い金属粉。 | 広い粒度分布。内部空隙を持つ不規則な粒子形状 |
| 金属の脱水 | 水素化脱水素法で金属を微粉末にする。チタン、ジルコニウム合金に使用される。 | 内部空隙率の高いスポンジ状の粒子。ジェットミリングが必要。 |
ガスアトマイズと水アトマイズは、粉末床融合3Dプリンティングプロセス用の微細粉末を製造するための最も一般的な方法である。粉末製造技術は、金属粉末の組成、粒子形状、気孔率、流動特性、微細構造、コストに影響する。
金属粉末の特性と特徴
積層造形で使用される金属粉末の特性は、最終的な部品の品質、機械的特性、精度、表面仕上げ、性能を決定する上で重要な役割を果たします。主な特性には次のようなものがあります：
積層造形用金属粉末の特性
| プロパティ | 説明 | 重要性 |
|---|---|---|
| 粒子形状 | 球状、衛星状、不規則な形 | 流動性、充填密度、パウダーベッドでの拡散性に影響する。 |
| 粒度分布 | 粉末の粒子径の範囲 | 部品分解能、表面仕上げ、密度に影響 |
| 流動性 | 粉体が重力で自由に流れる能力 | パウダーベッドにおけるパウダーの広がりと均一性への影響 |
| 見かけ密度 | ルースパウダーの単位体積当たりの質量 | ビルド量、焼結速度論に影響 |
| タップ密度 | 振動/タッピング下での最大充填密度 | 焼結時の展延性と緻密化を示す。 |
| ホール流量 | 50gの粉体がオリフィスを通過するのに要する時間 | 流動性と一貫性の尺度 |
| ハウスナー比 | タップ密度と見かけ密度の比 | 比率が高いほど粒子間摩擦が大きく、流れが悪い。 |
| 含水率 | 粉体粒子表面に吸着した水分量 | 高すぎる水分は粉体の凝集を引き起こす |
| 酸素含有量 | 粉体粒子表面に吸着した酸素 | 粉末の流動性に影響を与え、最終製品に空隙を生じさせる可能性がある。 |
| 微細構造 | 粒度、粒界、存在する相 | 機械的特性、異方性、最終部品の欠陥に影響する。 |
これらの粉末特性に対する厳しい要求を満たすことは、付加製造部品の高密度、良好な機械的特性および品質を達成する上で極めて重要である。
金属粉末の仕様
積層造形で使用される金属粉末は、組成、粒度分布、流動速度、見かけ密度、微細構造などの点で特定の仕様を満たす必要があります。一般的な金属粉末の仕様には次のようなものがあります：
積層造形用金属粉末の標準仕様
| パラメータ | 代表的な仕様 |
|---|---|
| 合金組成 | 特定化学物質の±0.5wt% |
| 粒子径 | 10-45 μm |
| D10粒子径 | 5-15 μm |
| D50粒子径 | 20-40 μm |
| D90粒子径 | 40-100 μm |
| 見かけ密度 | 2.5-4.5 g/cc |
| タップ密度 | 3.5-6.5 g/cc |
| ハウスナー比 | <1.25 |
| ホール流量 | <50gで30秒 |
| 含水率 | <0.2 wt% |
| 酸素含有量 | 150-500 ppm |
粒度分布は非常に重要で、一般的なD10、D50、D90の粒径は5～100ミクロンです。粒度分布が狭いほど、パウダーベッドの密度と解像度が向上します。ASTM F3049、F3301、ISO/ASTM 52921などの規格は、積層造形に使用される金属粉末原料の厳格な規則を規定しています。
積層造形における金属粉末の用途
金属粉末は、さまざまな産業で機能的な金属部品を印刷するために、さまざまな積層造形技術で使用されている：
積層造形における金属粉末の用途
| 産業 | アプリケーション | 使用金属 |
|---|---|---|
| 航空宇宙 | タービンブレード、ロケットノズル、熱交換器 | Ti、Ni、Co合金 |
| メディカル | 歯冠、インプラント、手術器具 | Ti、CoCr、ステンレス鋼 |
| 自動車 | プロトタイプ、カスタムパーツの軽量化 | Al、鋼、Ti合金 |
| インダストリアル | ヒートシンク、マニホールドブロック、ロボット工学 | Al、ステンレス、工具鋼 |
| ジュエリー | カスタムジュエリー、ラピッドプロトタイピング | 金、銀、プラチナ合金 |
| 石油・ガス | 配管継手、バルブ、ポンプハウジング | ステンレス鋼、インコネル |
金属粉末を使った積層造形は、従来の製造では不可能だった機械的特性や形状を強化した、複雑でカスタマイズされた部品の製造に最適です。利用可能な金属合金の範囲が拡大しているため、産業界全体で用途が拡大し続けています。
コスト分析 金属粉
金属粉末の種類と要求される品質は、積層造形における材料コストに大きな影響を与える。代表的な金属粉末のコストは以下の通りです：
積層造形用金属粉末の価格帯
| 素材 | 価格帯 |
|---|---|
| アルミニウム合金 | $50-100/kg |
| ステンレス鋼 | $50-150/kg |
| 工具鋼 | $50-200/kg |
| チタン合金 | $200-500/kg |
| ニッケル超合金 | $100-300/kg |
| コバルト・クローム | $150-250/kg |
| 貴金属 | $1500-3000/kg（金、銀用 |
価格は、合金の組成、粒子の特性、パウダーの品質、購入量によって異なります。未使用のパウダーをリサイクルすることで材料の無駄を削減し、高価な合金を使用した印刷の費用対効果を改善することができます。
金属粉末の詳細価格内訳
金属粉末に関連するコストは、積層造形における費用全体のかなりの部分を占める可能性がある。このセクションでは、さまざまな金属合金の現在の価格範囲について詳しく説明します：
チタン合金パウダー価格
| 合金 | kgあたりの価格 |
|---|---|
| Ti-6Al-4V ELI | $350-500 |
| Ti 6Al-4V グレード 5 | $250-400 |
| Ti 6Al-4V 23グレード | $300-450 |
| Ti 6Al-4V グレード 35 | $250-350 |
| Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo | $400-600 |
| Ti-55531 | $500-800 |
航空宇宙用途で最も一般的に使用されるTi-6Al-4V合金は$250-500/kgの範囲である。より高度なチタン合金は$800/kgを超えることもあります。
アルミニウム合金パウダー価格
| 合金 | kgあたりの価格 |
|---|---|
| AlSi10Mg | $90-120 |
| AlSi7Mg | $80-100 |
| AlSi12 | $75-90 |
| ナノ粒子入りAlSi10Mg | $250-500 |
| Al 6061 | $100-150 |
| アル7075 | $80-120 |
アルミニウム合金は一般的に$80-150/kgで、特殊な組成やナノ強化粉末は$250-500/kgのプレミアム価格となっている。
ニッケル合金粉末価格
| 合金 | kgあたりの価格 |
|---|---|
| インコネル718 | $150-300 |
| インコネル625 | $120-250 |
| ハステロイX | $200-350 |
| ヘインズ 282 | $200-400 |
| インコネル939 | $300-800 |
ニッケル超合金は、合金組成、粒子特性、大量注文量により、$120～800/kgの範囲にある。
宝飾品や医療機器に使用される貴金属は、金、銀、プラチナ合金で$1500-3000/kgと非常に高値で取引される。
最も一般的な合金の現在の価格水準を理解することで、特定の用途のために費用対効果の高い材料を情報に基づいて選択することができます。
ステンレスパウダー価格
| 合金 | kgあたりの価格 |
|---|---|
| 316L | $50-100 |
| 17-4PH | $100-150 |
| 15-5時 | $150-200 |
| 304L | $30-60 |
| 420ステンレス | $35-75 |
ステンレス鋼粉末は、グレードによって$30～200/kgの範囲である。より特殊な合金やより厳しい仕様の組成は、より高い価格を要求されます。
工具鋼パウダー価格
| 合金 | kgあたりの価格 |
|---|---|
| H13工具鋼 | $90-120 |
| マレージング鋼 | $180-250 |
| 銅工具鋼 | $120-200 |
| 熱間工具鋼 | $80-150 |
工具鋼粉末の価格は、硬度、合金組成、粒子の特性により、$80～250/kgの範囲である。
銅合金パウダー価格
| 合金 | kgあたりの価格 |
|---|---|
| 銅 | $100-150 |
| ブロンズ | $50-120 |
| 真鍮 | $60-100 |
熱的・電気的特性のために使用される銅および銅合金粉末は、$50-150/kgである。
コバルトクロム合金粉末価格
| 合金 | kgあたりの価格 |
|---|---|
| CoCrMo | $170-220 |
| CoCrW | $180-230 |
| CoCrMoWC | $220-300 |
医療グレードのコバルトクロム合金は、組成と粒子の特性により、$170-300/kgの範囲である。
全体的に、金属粉末の価格は合金、製造方法、品質、および注文量に基づいて幅広い範囲に及ぶ。しかし、現在の市場価格を理解することは、積層造形の製品設計や材料選択の際に役立つ指針となる。
アディティブ・マニュファクチャリングでは、金属粉末原料を利用する2つの主なアプローチ、すなわち粉末床溶融プロセスと指向性エネルギー堆積プロセスがある。本セクションでは、粉末床溶融プロセスとブローパウダー・アプローチで異なる粉末要件と特性を比較します。
粉末床溶融プロセス
選択的レーザー焼結(SLS)や電子ビーム溶解(EBM)のような粉末床溶融プロセスでは、金属粉末はビルドプレート上に薄く広げられ、熱源によって層ごとに選択的に溶融され、部品が製造されます。粉末特性の主な違いには、以下のようなものがある：
パウダー・ベッド・フュージョンに必要なパウダー
| パラメータ | 代表的な仕様 | 理由 |
|---|---|---|
| 粒度分布 | 20～45μm付近でよりタイトな分布 | 均一な層厚と高い充填密度を実現する |
| 粒子形態 | 球形度が高く、滑らかな表面 | パウダーベッド全体への良好な流動性と拡散性を可能にする |
| 内部空隙率 | 最小限の気孔率または中空粒子 | 印刷部品の欠陥低減と高密度化のために |
| 見かけ密度 | 合金密度50%以上 | パウダーベッド密度を最大化し、リコーターパスを最小化する。 |
| フロー特性 | スムーズで安定したパウダーフロー | 均一な成膜と欠陥のない部品に不可欠 |
制御された粒度分布と良好な流動性を持つ球状ガスアトマイズ粉末は、粉末床融合AMプロセスに理想的である。
ブローン・パウダー・ダイレクト・エナジー・デポジション
レーザーエンジニアリングネットシェーピング（LENS）や電子ビーム積層造形（EBAM）のようなDED技術では、金属粉末はレーザーまたは電子ビーム熱源によって作られた溶融プールに直接注入されます。主な粉末の違いとパウダーベッド
ブローパウダーDEDの粉体要件
| パラメータ | 代表的な仕様 | 理由 |
|---|---|---|
| 粒度分布 | 典型的な10-150μmの広い分布 | 粉末の流動性とメルトプールへの浸透を可能にする。 |
| 粒子形態 | 不規則な形状や衛星を使用可能 | 流動性はメルトプールへの浸透性よりも重要ではない |
| 内部空隙率 | 多孔質にも耐える | 迅速な溶融により、最終部品の密度への影響を最小化 |
| 見かけ密度 | 合金密度の>60% | 粉体フローとミキサー負荷の改善 |
| フロー特性 | 適度な流動性 | 主に、粉体の固まりを防ぎ、安定した粉体の流れを確保する必要がある。 |
ブローパウダーDEDでは、パウダーベッド融合プロセスと比較して、パウダー原料の要件がより柔軟である。DEDの主な利点は、低コストの粉末製造方法を使用できることです。
品質とコストを考慮したパウダー
要約すると、粉末床溶融では、欠陥を防ぎ、高密度の部品を実現するために、粉末の特性に厳しい要求が課される。そのため、通常より高価なガスアトマイズ粉末を使用する必要がある。ブロー粉末DEDでは、より安価な粉末を柔軟に使用できますが、機械的特性や精度に影響を与える可能性があります。部品サイズ、表面仕上げ要件、機械的性能、および予算は、適切な積層造形プロセスと粉末原料を選択する際の重要な要素です。
金属基複合材料の積層造形
セラミック強化材を使用した金属基複合材料（MMC）は、粉末ベースの積層造形における新たな分野です。このセクションでは、粉末床溶融法とブロー粉末指向性エネルギー堆積法を使用したMMCの印刷の概要を説明します。
粉末冶金法によるMMC積層造形
炭化物、ホウ化物、酸化物などの補強材を金属合金粉末とブレンドすることで、特性を向上させた粒子強化金属マトリックス複合材料を印刷することができる：
粉末冶金用MMC粉末
| マトリックス | 補強 | 主な特徴 |
|---|---|---|
| AlSi10Mg | SiC、Al2O3 | 耐摩耗性、高い剛性 |
| Ti6Al4V | TiB2、TiC | 強度と硬度の向上 |
| インコネル718 | WC、ZrO2 | 高温強度の向上 |
| CoCr | WC、TaC | 優れた耐摩耗性 |
| 316Lステンレス鋼 | Y2O3、TiO2 | 高い強度と靭性 |
しかし、融点の違い、濡れ性の悪さ、強化材の凝集などの要因は、高品質のMMC部品を印刷する際に欠陥や課題を引き起こす可能性があります。粉末床融合AMを用いて高密度で等方性のMMCの印刷を成功させるには、ナノスケールの補強材と、それに合わせた粉末の混合・散布パラメータが必要である。
ブロー粉末DEDを用いたMMC積層造形
DEDブローン粉末法は、MMCの印刷に有利である：
- 補強材はメルトプールに直接注入することができ、凝集の問題を避けることができる。
- 迅速な溶融・凝固によりセラミック配分を改善
- より大きな粒子径と高い強化率を使用できる
しかし、造形高さ全体にわたって強化材の含有量を制御し、均一な分布を達成することは、依然として困難です。粉末床溶融とDEDを組み合わせたハイブリッドAMシステムでは、銅のような高密度金属を粉末床溶融で連続マトリックスとしてプリントし、同時にセラミック補強材を注入して局所的に補強したり硬化させたりすることができます。
全体として、積層造形は、従来の複合材製造では実現不可能な、局所的に調整された組成と特性を持つ複雑なネットシェイプのMMCコンポーネントの製造を可能にする。しかし、AMを使用して粒子強化MMCを印刷する可能性を完全に実現するには、特定の金属セラミック系に合わせた原料粉末と印刷パラメーターの開発が不可欠である。
積層造形用金属粉末に関するFAQ
ここでは、積層造形プロセスで使用される金属粉末に関するよくある質問にお答えします：
AM用金属粉末に関するFAQ
Q: 3Dプリンティングで最もよく使われる金属粉末は何ですか？
A: アルミニウム合金、特にAlSi10Mgは、軽量で耐食性に優れ、チタンやニッケル合金に比べてコスト面で有利なため、航空宇宙、自動車、産業用途の粉末ベースAMで最も人気のある金属のひとつです。
Q: 最も高価な金属粉末は何ですか？
A: 金、銀、プラチナなどの貴金属は材料費が最も高く、1kgあたり$1500-3000です。チタン合金も比較的高価で、$200/kg以上です。ニッケル超合金は、組成にもよりますが、$100-300/kgです。
Q:バージン金属粉とリサイクル金属粉の違いは何ですか？
A: バージンパウダーとは、印刷に使用されたことのない、生産されたばかりのパウダーのことです。リサイクルパウダーは印刷後に回収され、再利用されたパウダーです。リサイクルパウダーは20-30%と安価ですが、汚染や何度も再利用するうちに特性が変化するリスクがあります。
Q: 金属粉末の粒度分布を決定する上で重要なことは何ですか？
A: 均一な層厚、高充填密度、良好な流動性と解像度を可能にするため、粉体床溶融AMでは厳しい粒度分布が重要です。一般的な粒度分布は、D10：20～40ミクロン、D50：20～45ミクロン、D90：100ミクロン以下です。
Q: 金属粉末中の水分はAMプロセスにどのような影響を与えますか？
A: 粉体粒子に吸収された水分は、粉体を固まらせ、流動性を損なう原因となります。また、余分な水分は印刷部品に空隙を生じさせます。ほとんどのプロセスでは、乾燥によって0.2wt%以下の含水率を必要とします。
Q: AMにおける粉体のリサイクル性はどのような役割を果たしますか？
A: 特に高価な合金の場合、印刷後の未使用パウダーをリサイクルすることで、材料の無駄とコストを削減できます。しかし、再利用後に汚染が発生する可能性があります。不活性雰囲気または真空を使用したプロセスでは、酸化を最小限に抑え、リサイクル性を向上させることができます。
Q:二峰性分布を持つ金属粉末は、AMでどのように使われるのですか？
A: 粗粉と微粉の2つのフラクションを持つバイモーダルパウダーは、充填密度と印刷解像度を向上させることができます。より微細なパウダーはより大きな粒子の間に充填されます。しかし、このようなパウダーは、適切なブレンドと取り扱いを確実にするための専門知識が必要です。
Q: AMでは、他のプロセスよりもグレードの低い安価なパウダーを使うことができますか？
A: ブロー粉末DED AMは、粉末床溶融の厳しい仕様に適合しない可能性のある、他の製造方法による低コストの粉末を利用することができます。しかし、この場合、ガスアトマイズ粉末に比べて機械的特性や精度が損なわれる可能性があります。
結論
要約すると、金属粉末は、粉末床溶融および指向性エネルギー堆積積層造形技術を使用して3Dプリント金属部品を製造するための基本的な原料として機能する。金属粉末原料の特性と品質は、航空宇宙、医療、自動車、工業用途の最終部品の特性、精度、表面仕上げ、性能に強い影響を及ぼす。ガスアトマイズと水アトマイズが主な製造方法である。粒度分布、モルフォロジー、見かけ密度、流動特性、微細清浄度などの主要な粉末属性は、AMプロセスや最終部品要件の厳しい仕様を満たす必要があります。金属粉末工学、モデリング、特性評価の継続的な進歩は、金属を用いた積層造形の可能性を最大限に引き出すために不可欠である。
