金属粉末 は、粉末冶金技術を用いた積層造形に欠かせない原材料です。このガイドでは、選択的レーザー溶融（SLM）や電子ビーム溶融（EBM）などの3Dプリンティングプロセスで使用されるさまざまな金属粉末の概要を説明します。
AM用金属粉末の紹介
金属粉末は、積層造形による複雑で高性能な金属部品の印刷を可能にする。
使用した材料
- ステンレス鋼
- 工具鋼
- コバルトクロム合金
- チタンおよびチタン合金
- アルミニウム合金
- ニッケル超合金
- 銅合金
パウダーの主な特性：
- 化学 - 純度と組成
- 粒子の形状と形態
- 粒度分布
- 見掛け密度とタップ密度
- 流動性
- パウダーの再利用
パウダーの製造方法：
- ガス噴霧
- 水の霧化
- プラズマ霧化
- 電極誘導溶解
- カルボニルプロセス
- メカニカルアロイング
ステンレス鋼粉
ステンレス鋼粉末は、耐食性部品の印刷によく使用される：
合金の種類
- 316L、304Lのようなオーステナイト鋼
- 17-4PHのようなマルテンサイト鋼
- 2205のような二相鋼
- 17-4PH、15-5PHのような析出硬化
特徴
- 高い耐食性と耐酸化性
- 優れた強度と延性
- 高合金鋼よりも割れにくい。
- ビルドの雰囲気などのパラメータが重要
アプリケーション
- 化学およびプロセス産業用部品
- 船舶部品
- 医療用インプラントおよび医療機器
- 食品/製薬業界の衛生を必要とする部品
サプライヤー カーペンター、サンドビック、プラクセア、ヘガネス、LPWテクノロジー
工具鋼粉末
H13のような工具鋼は、摩耗や高硬度部品の印刷に最適です：
合金の種類
- S7のような耐衝撃鋼
- D2のような冷間加工鋼
- H13、H11などの熱間加工鋼
- M2のような高速度鋼
特徴
- 60HRCまでの優れた硬度
- 高い耐摩耗性
- 優れた靭性と耐熱疲労性
- 高温溶液アニールが必要
アプリケーション
- 金属成形金型
- 切削工具とドリルビット
- 摩耗部品とベアリング
- 高温工具
サプライヤー サンドビック、Erasteel、LPWテクノロジー、テクナ・プラズマ・システムズ
コバルトクロム合金
コバルトクロム粉末は、生体適合性のあるインプラントや歯科修復物を印刷する：
合金の種類
- Co-28Cr-6MoのようなCoCrMo
- Co-35Ni-20Cr-10MoのようなCoNiCrMo
- Co-67Cr-28FeのようなCoCr
特徴
- 優れた生体適合性と耐食性
- 高い強度と硬度
- 関節の耐摩耗性
- 挑戦的な印刷適性とひび割れ傾向
アプリケーション
- 歯科用コーピング、ブリッジ、クラウン
- 整形外科用膝および股関節インプラント
- 頭蓋プレートのような固定器具
- 脊椎固定金具
サプライヤー SLMソリューションズ, カーペンター, アルカムEBM
チタンパウダー
チタンパウダーは強度が高く、軽量なプリント部品を作る：
合金の種類
- Tiグレード1-4のような非合金チタン
- Ti-6Al-4V合金
- Ti-6Al-7Nb合金
- その他のα＋β合金
特徴
- 高い強度対重量比
- 優れた耐食性
- 良好な高温特性
- 低密度 - 4.5 g/cc
- 反応性があり、不活性雰囲気が必要
アプリケーション
- 航空宇宙およびモータースポーツ用部品
- 医療用インプラントと補綴
- 食品/化学工業部品
- 自動車部品
サプライヤー AP&C、テクナ、カーペンター添加剤
アルミニウム合金
アルミニウム粉末は、軽量な構造部品や機能部品を印刷する：
合金の種類
- AlSi10Mg
- AlSi7Mg
- AlSi12
- Scalmalloy®およびその他のAl合金
特徴
- 低密度 - 2.7 g/cc
- 優れた強度と剛性
- 優れた熱伝導性
- 割れや残留応力が発生しやすい
アプリケーション
- 自動車およびモータースポーツ用部品
- 航空宇宙および宇宙用途
- 熱交換器
- ギプスなどの医療器具
サプライヤー:AP&C、サンドビック、LPWテクノロジー、ECKA顆粒
ニッケル超合金
インコネル718のようなニッケル超合金は高温部品を印刷する：
合金の種類
- インコネル718
- インコネル625
- ワスパロイ
- ハステロイX
特徴
- 優れた高温強度
- 優れた耐食性と耐クリープ性
- 高温下でのストレス下での作業能力
- 加工が難しく、割れやすい。
アプリケーション
- タービンブレード
- 燃焼室部品
- 宇宙船部品
- 原子力/化学工業部品
サプライヤー プラクセア、カーペンター・アディティブ、GEアディティブ
銅合金
CuCrZrのような銅合金は導電性の高い部品を印刷する：
合金の種類
- CuCr1Zrのような銅クロム
- CuNi2SiCrのような銅ニッケル
- CuSn10のような青銅
特徴
- 優れた熱伝導性と電気伝導性
- 良好な耐食性
- 抗菌性
- 鋼やNi合金よりも低い強度
アプリケーション
- バスバーなどの電気部品
- 熱交換器とヒートシンク
- 導波管とRFコンポーネント
- 医療器具および固定具
サプライヤー サンドビック、LPWテクノロジー、メタリシス
技術仕様
AMに使用される典型的な金属粉末の仕様：
| パラメータ | 代表値 | テスト基準 |
|---|---|---|
| 粒子径 | 10 - 45 μm | ASTM B214 |
| 粒子形状 | 球形 | ISO 13322-2 |
| 流量 | 25～35秒/50g | ASTM B213 |
| 見かけ密度 | 2 - 5 g/cc | ASTM B212 |
| タップ密度 | 4 - 8 g/cc | ASTM B527 |
| 残留酸素 | < 300 ppm | 自社方式 |
| 残留窒素 | < 50 ppm | 自社方式 |
| 残留炭素 | < 30 ppm | ASTM E1019 |
パウダー製造法
1.ガス霧化
- 高球状パウダー
- 粒子径5～100μm
- チタンのような反応性合金に使用
2.水の霧化
- 不規則な粉末形状
- 300μmまでの大きな粒子
- 低コストプロセス
3.プラズマ霧化
- 制御された粒子形状
- サブミクロン～150μmサイズ
- 高純度パウダー
4.機械的合金化
- 元素混合と粉砕
- カスタム合金のコスト効率
- 粒子径が大きい
サプライヤーと価格
| サプライヤー | 材料 | 価格帯 |
|---|---|---|
| LPWテクノロジー | 工具鋼、ステンレス鋼 | $50〜$120/kg |
| エーピーアンドシー | チタン合金、Al合金 | $70〜$450/kg |
| サンドビック | ステンレス鋼、Ni合金 | $45〜$250/kg |
| プラクセア | 超合金、チタン | $150〜$600/kg |
| カーペンター添加剤 | 工具鋼、CoCr、ステンレス | $80〜$300/kg |
- ステンレス鋼粉末の価格 kgあたり$45-$120
- チタン合金粉末の価格 $150-$450/kg
- 超合金と工具鋼のコストは1kgあたり$250～$600
価格は合金、品質、ロットサイズ、購入契約によって異なる。
粉体の取り扱いと保管
汚染を防ぐには、適切な粉体の取り扱いが重要である：
- 粉体ふるい分け専用エリアの使用
- 不活性雰囲気のグローブボックスとホッパーの確保
- 導電性容器を使用して静電気を逃がす
- すべての機器と輸送容器を接地する
- 油、水、酸素との接触を避ける
- 粉末は密閉容器に入れ、不活性ガス下で保管する。
- 保管中の温度と湿度の管理
- 取り扱いの際は、PPEなどの安全注意事項に従ってください。
適切に保管することで、パウダーの再使用寿命が延びる。
粉体ふるい分け
ふるい分けにより、粒度を一定に保つ：
メリット
- 欠陥の原因となる衛星粒子を除去
- 凝集塊を砕く
- 流動性と充填密度を向上
- リサイクル性の問題を軽減
- 異物除去
手続き
- 20～63μmのメッシュサイズで粉体をふるい分ける。
- 回転ふるいまたは振動ふるいによるふるい分け
- 不活性雰囲気下でのふるい分け
- 粉体残量率を記録する
ふるい分けは、理想的な粉末の拡散性を確保することで、部品の品質を向上させます。
設置と試運転
パウダーシステムによる金属AMプリンターの設置には、以下のようなものが含まれる：
- 汚染を避けるための機器表面のクリーニング
- 不活性ガス接続のリークテスト
- レーザーまたは電子ビームの出力チェック
- 粉体塗装システムの装填とテスト
- チラー、排気、サービス接続の統合
- 監視・安全センサーの設置
- 粉体のふるい分けとハンドリングシステムの検証
- ビルドプレートのレベリング調整
- サンプル部品のテスト印刷と品質の検証
ベンダーは設置と試運転のサポートを提供する。
運用とベストプラクティス
プリンタ操作のガイドライン：
- 定期的なリークチェックと不活性ガス純度テストの実施
- テクスチャーを一定にするためのプレコンディショニングパウダー
- 新素材の層厚とレーザーパラメーターの調整
- 溶融プールを注意深く監視し、部品の温度を制御する。
- テストプリントによる重要寸法の検証
- 粉の状態を監視し、推奨される範囲内でのみ再利用する
- 光学系、ビーム伝送システム、粉末再塗布機構の定期的なメンテナンスの実施
従業員の安全：
- 呼吸用保護具や手袋などの適切なPPEを使用する。
- 反応性の微細金属粉との接触を避ける
- 廃棄粉末は不活性雰囲気下で適切に取り扱う
一部は後処理：
- 合金と用途に合わせた適切な溶体化熱処理と時効処理温度を使用する。
- 熱処理中のランプレートを制御して応力を緩和
- 複雑な部品には、必要に応じて熱間等方圧プレスを使用し、密度を向上させる。
- CNC機械加工や研磨などの仕上げ工程を施す
保守点検
定期的なメンテナンス活動：
毎日だ：
- ミラー、レンズ、窓などの光学部品に損傷がないか点検する。
- ビルドチャンバーとパウダーハンドリングシステムの清掃
- 不活性ガスのレベルをチェックし、必要であれば再充電する。
- ふるい機構とパウダー・リコーターのテスト
週刊誌だ：
- センサーと計測器の校正
- ファスナー、電気端子、接地のチェック
- モーターやドライブなどの可動部品の潤滑と点検
- 交換用フィルターの監視
毎月だ：
- ヘリウムを使用した不活性ガスシステムのリークテスト
- 火災探知機などの安全装置の点検
- CHPシステムの健全性チェック
年間：
- 機器ベンダーとの予防メンテナンスのスケジュール
- レーザーパワーメーターの校正
- フィルターと消耗品の交換
部品の品質と機器の健全性を維持するためには、ベンダーのガイドラインに従ったメンテナンスが必要である。
適切な金属印刷システムの選択
金属AM機を選択する際に考慮すべき要素：
1.生産要件
- 製造される部品の種類
- 部品特性に基づく必要材料
- 生産量の要件
- 要求される精度と表面仕上げ
2.プリンタ仕様
- 対応素材とパラメーター
- サイズとスピード
- 精度と再現性
- 不活性雰囲気管理
- オートメーション機能と制御
3.粉体ハンドリングシステム
- 統合型または独立型システム
- ふるい分け、供給、保管、再利用機能
- チタンのような反応性物質の封じ込め
- 汚染を避けるためのモニタリング機能
4.規格の遵守
- ASTM F3301のような業界標準
- メーカー品質認証
- 安全基準の遵守
5.サプライヤー資格
- AM業界での実績
- 現地での販売および技術サポート能力
- メンテナンス契約とサービス
- オペレーター・トレーニング計画
- 総所有コスト
徹底的な要件分析と、これらの基準を使用したマシンの比較により、生産ニーズに合わせた理想的な3Dメタルプリンティングシステムが選択されます。
メタルAMの長所と短所
メリット
- 高い幾何学的複雑性が簡単に印刷できる
- 機能部品までの時間短縮
- 減法的プロセスと比較して廃棄物を削減
- CADから直接シングルセットアップ生産
- 軽量化と部品統合の可能性
- エンジニアリング合金による性能向上
- カスタマイズとマスカスタマイゼーション機能
デメリット
- 高い機械代と材料費
- 追加の後処理工程が必要
- チャンバーサイズに制限あり
- 内部欠陥の管理は難しい
- 材料特性は、鍛造と異なる場合がある。
- 表面仕上げの制限により、仕上げが必要になる場合がある。
- トレーニングおよび専門知識の要件
メタルAMの一般的な問題のトラブルシューティング
| 欠陥 | 考えられる原因 | 是正措置 |
|---|---|---|
| 多孔性 | 不適切なプロセスパラメータ | レーザー出力、速度、ハッチ間隔の最適化 |
| 粉体汚染 | 新鮮なふるいにかけたパウダーを使用し、パウダーの取り扱いを改善 | |
| スキャントラック間のオーバーラップが不十分 | ビーム焦点サイズとオーバーラップを調整 | |
| クラッキング | 過度の熱応力 | 予熱の最適化、ヒーターによる冷却速度の制御 |
| 割れやすい素材 | 向きを変えてストレスを軽減 | |
| 大気からの汚染 | 高純度の不活性雰囲気を確保 | |
| ワーピング | 不均等な暖房または冷房 | スキャンパターンを最適化し、ビルドプレート上で部品を拘束する |
| 表面仕上げが悪い | 部品温度が低すぎる | 予熱温度を上げる |
| 不適切なメルトプールの流動性 | パワーとその他のパラメーターを調整 | |
| 汚染粉 | フレッシュパウダーを使用し、ハンドリングを改善 |
よくあるご質問
Q: AMに使用できる金属合金粉末は何ですか？
A: ステンレス鋼、工具鋼、チタン合金、ニッケル超合金、アルミニウム合金、コバルトクロム、銅合金が一般的です。
Q: 一般的に使用される粉体の粒子径の範囲はどのくらいですか？
A：PBF-LB/Mプロセスでは、10～45μmが一般的で、20～45μmあたりでよりタイトな分布になる。
Q: 金属粉の寿命はどのくらいですか？
A: 理想的なアルゴン保管であれば、多くの合金は1～2年持ちます。再使用寿命はそれより短く、合金によって20～100プリントです。
Q: 金属AM部品にはどのような後処理工程が必要ですか？
A: 多くの場合、サポート除去、熱処理、CNC機械加工、研磨、コーティングなどの表面仕上げが必要です。
Q: チタンやアルミニウムのような反応性金属粉末はどのように扱われるのですか？
A: 酸素のピックアップを防ぐために、不活性アルゴン雰囲気下での特別な粉末の取り扱いが必要です。
Q: 一般的な粉体汚染のリスクは何ですか？
A: 酸素または窒素のピックアップにつながる大気への暴露。機械加工や摩耗による金属粒子油や水分。
Q: 金属粉末の認定にはどのような規格が使われるのですか？
A: ASTM B214、ASTM B812、ASTM F3049、ASTM F3301及びMPIF規格。
Q: 粉体ふるい分けはなぜ重要なのですか？
A: 凝集物を分解し、衛星を除去し、高密度と表面仕上げのために最適で一貫したパウダーサイズを提供します。
結論
金属粉末は、場合によっては溶製材よりも優れた特性を持つ、高度で高性能な部品の積層造形を可能にします。ステンレス鋼から超合金、チタンに至るまで、幅広い合金が粉末の形で利用可能で、航空宇宙、医療、自動車、および一般産業にわたる要求の厳しい用途に合わせて調整されます。合金、品質基準、生産工程、機械、部品特性の絶え間ない改善により、金属AMは世界的に中核的な生産技術に成熟しつつある。しかし、その利点をフルに発揮するには、プロセスと材料に関する専門知識と厳格な品質管理が不可欠です。より多くの経験を積むことで、金属 AM は、設計の自由度を高め、リードタイムを短縮して、複雑でカスタマイズされた部品を製造する前例のない能力を提供します。
