チタン3Dプリンティングパウダー

概要

チタンは強力で軽量な構造用金属であり、航空宇宙、医療、自動車、工業分野での積層造形で幅広く使用されています。Ti-6Al-4Vのようなチタン合金粉末は、高強度と耐食性、生体適合性を備えた複雑な部品の3Dプリントを可能にします。

選択的レーザー溶解（SLM）と電子ビーム溶解（EBM）は、微細なチタン粉末を機械加工や鋳造では実現不可能な複雑な設計の完全な高密度部品に加工することができます。このガイドでは、チタン合金の組成、特性データ、用途、プリンターのパラメーター、金属3Dプリンティングの利点を活用するサプライヤーについて説明します。

チタン印刷用粉末の組成

チタン合金は、チタンを主成分とし、アルミニウム、バナジウム、鉄、モリブデンなどの合金元素で構成され、特定の特性を向上させます。AM用の最も一般的なチタン等級は以下の通りです：

• Ti-6Al-4V（グレード5）は最も一般的なチタン合金で、その強度は+Al安定化と+V析出硬化によるものです。超低歪み(ELI)変種は高い延性を持つ。
• Ti 6242合金は、オッセオインテグレーションを必要とする生体適合性の高い整形外科インプラントに適するよう、バナジウムの一部を置き換えている。
• 鉄、酸素、窒素、炭素などの微量元素は、規定値を超えて存在すると機械的特性に悪影響を及ぼすため、最小限に抑えられている。

金属チタン印刷粉末の特性

チタン合金を航空機や医療製品に魅力的なものにする主な材料特性には、以下のようなものがあります：

• 低密度（鋼鉄の半分）に対する高強度により、チタン部品は軽量化されます。腐食の問題を回避しながら、一般的なアルミニウム合金を上回る強度を実現。
• 冷間成形に十分な延性を持つ。Ti64 ELIのような超低間充てん材は、伸びをさらに高める。
• 溶融は1600℃を超える。400～500℃でも良好な特性を維持。
• 火花を避け、熱を遮断するため、熱伝導率と電気伝導率はかなり低い。

金属3Dプリントチタン部品の用途

航空宇宙

• 機体構造用ブラケット、リブ、インペラ、付属品
• 軽量化されたターボチャージャーハウジングと熱交換器
• ジェットエンジンのタービンセクションに統合されたコンフォーマル冷却チャンネル
• コンポーネントに合わせてカスタマイズされたUAV/ドローンフレーム

医療・歯科

• 寛骨臼カップのような膝、股関節、脊椎、顎の整形外科用インプラント
• クラウンおよびブリッジ用の歯科用アバットメント
• 患者の解剖学的構造に合わせてカスタマイズされた頭蓋再建プレート

自動車

• モーターハウジング・ブラケットとサスペンション部品
• 射出成形金型に統合されたコンフォーマル密着冷却
• 複雑なエアフロー形状を持つ軽量ブレーキ・ディスク・ローター

チタン3Dプリントのプロセスパラメータ

粉末床溶融プロセスでチタン粉末材料を使用する際の主要パラメータ：

LPBFの設定

EBMの設定

LPBFは支持構造を必要とするが、EBMは補助なしで金属を製造する。≥99%の密度は、応力除去および熱間静水圧プレス後に達成される。最小肉厚は通常100～150ミクロンに達する。

チタン印刷粉のサプライヤー

主要な金属製造企業は、添加プロセス用のチタン粉末を認証している：

チタン印刷パウダーのコスト

高性能アプリケーション用の高度な軽量合金として、チタンパウダーはプレミア価格で取引されています：

• 材料価格は1kgあたり$200～$500
• より厳しい粒子径と高純度のカスタム合金は、さらにコストを上昇させる。
• リサイクルパウダーは、流動性が良いと仮定すれば安価である。

チタン3Dプリント部品の後処理

印刷後、チタン部品は次の工程を経る：

サポートの取り外し - アクセス可能な場所では、EDM切断によって慎重にサポートを分離し、小さなフィーチャーをスナップオフする。

応力緩和 - アルゴン中で650℃、2時間、ビルドプレート全体をゆっくりと熱処理し、残留応力を低減する。

熱間静水圧プレス - 920℃、100MPa、3時間のHIP処理により内部ボイドを閉鎖 >99%密度

ソリューション・トリートメント - 705℃で1時間浸漬した後、空気／水による急冷を行い、所望の微細構造を形成させる。

機械加工 - 寸法公差のニーズを満たすために、重要な合わせ面をCNCフライス加工する。

ブラスト＋アシッドエッチング - アルミナショットピーニングと酸エッチングによる表面の清浄化

品質テスト - 化学的性質、微細構造、層ごとの品質、機械的特性が仕様を満たしていることを確認する。

チタン3Dプリンティングの規格

チタンを用いた粉末床印刷の将来展望

現在、航空宇宙が部品の大幅な統合と軽量化の恩恵を受けて70%の需要を牽引している一方で、チタンAMの採用は、コストの低下に伴い、自動車、スポーツ用品、およびより多くの消費者セクター全体で加速するでしょう。より多くのチタンプリント用途は以下の通りです：

航空宇宙 - タービンブレードや将来の客室部分のような、より大型で完全印刷された一次構造は、設計の複雑さ、部品組立の統合、耐腐食性といった強みを生かすことができる。