3Dプリント用金属原料粉末の特性要件の詳細な説明

従来の減算製造方法と比較して、3D プリントでは金属材料の無駄がほとんど発生せず、この「付加製造」の直接成形特性により、生産プロセスにおける設備の問題が大幅に軽減されます。金属粉末材料は金属 3D プリントの原料であり、粉末の基本特性は最終的な成形品の品質に大きな影響を与えます。粉末に対する金属 3D プリントの要件は、主に化学組成、粒子形状、粒子サイズと粒子サイズ分布、流動性、リサイクル性に関するものです。
化学組成

原材料の主な化学成分には金属元素と不純物が含まれます。一般的に使用される主な金属元素は、Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr、貴金属のAg、Auなどです。不純物としては、還元鉄中のSi、Mn、C、S、P、Oなどのほか、原料や粉体製造時に混入する不純物、粉体の表面に吸着した水やガスなどが含まれます。

成形プロセス中に、不純物がマトリックスと反応してマトリックスの特性が変化し、製品の品質に悪影響を与える可能性があります。ドーパントが存在すると粉末の溶融が不均一になり、製品の内部欠陥が発生しやすくなります。粉末中の酸素含有量が多いと、金属粉末は酸化されやすくなり、酸化膜が形成されるだけでなく、球状化も起こり、製品の密度や品質に影響を与えます。
そのため、製品の品質を確保するには、原料粉末の不純物やドーピングを厳密に管理する必要があり、3Dプリントに使用する金属粉末は、より純度の高い金属粉末原料を使用する必要があります。
粒子形状、粉末サイズ、粒度分布

1. 形状要件。
一般的な粒子の形状には、球形、ほぼ球形、薄片状、針状、その他の不規則な形状が含まれます。不規則な粒子は表面積が大きいため、焼結の推進力を高めるのに有利です。しかし、球形度の高い粉末粒子は流動性が良く、粉末の供給と拡散が均一であるため、製品の密度と均一性を向上させるのに役立ちます。そのため、3D プリント用の粉末粒子は、一般的に球形または球形に近い形状であることが求められます。

2. 粉末の粒子サイズと粒度分布。
研究により、粉末はレーザーや電子ビームのスキャンからのエネルギーを直接吸収することで溶解し、焼結することがわかっています。粒子が小さいほど表面積が大きくなり、より多くのエネルギーを直接吸収し、加熱されやすくなるため、焼結が促進されます。さらに、この粉末は粒子サイズが小さく、粒子間の隙間が小さく、ゆるい密度が高く、成形後の部品の密度が高いため、製品の強度と表面品質の向上に役立ちます。しかし、粉末の粒子サイズが小さすぎると、粉末が付着して凝集しやすくなり、粉末の流動性が低下し、粉末の輸送と均一な粉末の広がりに影響を及ぼします。

したがって、所望の成形効果を得るためには、微粉と粗粉を一定の比率で混合し、適切な粒子サイズと粒子サイズ分布を選択する必要があります。

粉体のプロセス性能要件<br /> 粉体の加工特性には、主にゆるみ密度、タップ密度、流動性、リサイクル性能などがあります。

嵩密度とは、粉体を自然に積み重ねた時の密度であり、タップ密度とは、振動を加えた後の密度です。球形度が高く、粒度分布が広い粉末は嵩密度が高く、多孔性が低く、成形された部品は高密度で成形品質が良好です。

流動性。粉体の流動性は粉体の広がりの均一性や粉体供給の安定性に直接影響します。粉末の流動性が悪いと、スキャン領域で粉末層の厚さが不均一になり、金属の溶融が不均一になりやすく、製品の内部構造が不均一になり、成形品質に影響を与えます。流動性の高い粉末は流動化しやすく、均一に堆積し、粉末利用率が高いため、3D プリント部品の寸法精度と均一な表面密度の向上に役立ちます。

サイクルパフォーマンス。 3D プリントプロセスが完了した後、粉末床に残っている未溶融粉末はふるい分けによって回収され、引き続き使用することができます。ただし、長期間の高温環境下では、粉末床内の粉末に一定の性能変化が生じます。

出典: OME

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