水平比較：3Dプリントに最もよく使用される金属材料、チタン合金とアルミニウム合金

出典: 3dnatives

はじめに:金属は現在、積層造形プロセスで最も人気のある材料の 1 つです。その優れた特性により、性能と強度に対する要件が最も厳しい分野での使用に適しています。この記事では、3D プリントで使用される 2 つの主な金属、チタンとアルミニウムに焦点を当てます。どちらの材料も、主にレーザー粉末床溶融結合法 (L-PBF) や指向性エネルギー堆積法 (DED) などのプロセスで使用され、一般的に粉末状になっています。それぞれの類似点と相違点を比較して、それぞれの特徴と用途、および製造プロセスでの利点をより深く理解します。

チタンとアルミニウムの生産と特性

チタン

チタンは、自然界では単一の元素として存在せず、ルチル（TiO2）やイルメナイト（FeTiO3）などの鉱物から抽出する必要がある物質です。純チタンの抽出は複数のステップを含む複雑なプロセスです。純チタンを製造する最も広く使用されている方法は、1940 年にアメリカの化学者ウィリアム J. クロールによって開発されたクロール法です。このプロセスでは、塩素 (Cl2) を使用して二酸化チタン (TiO2) を還元して四塩化チタン (TiCl4) を生成し、その後、これをマグネシウム (Mg) で還元します。クロール法は純チタンの製造には効果的ですが、大量のエネルギーを必要とする高価なプロセスです。さらに、チタンは反応性が高いため、純粋な金属として入手することが難しく、純度 99.9% のサンプルが商業的に純粋なチタンとみなされます。そのため、他の元素と組み合わせて合金を形成することがよくあります。

チタンには多くの特性があり、多くの分野で使用できます。通常は合金の形で使用されますが、生体適合性が高いため、医療業界では純粋に抽出されたチタンがよく使用されます。主な特徴は、高い機械的強度、低密度、優れた耐腐食性、高剛性です。

3D プリントに使用される主なチタン合金の種類は次のとおりです。

●Ti6Al-4V、グレード5：最も重要かつ一般的なチタン合金。強度と耐久性に優れているため、積層造形に使用されます。この合金はチタン、アルミニウム、バナジウムで構成されており、高温や腐食性の環境に耐えることができます。
Ti6Al-4V、グレード 23: 生体適合性があるため、医療用インプラントやプロテーゼによく使用されます。
Ti Beta 21S: 従来のチタン合金よりも強度が高く、酸化や変形に強い。整形外科用インプラントや航空宇宙エンジン用途に最適です。ベータチタンは歯列矯正において高く評価されています。
●Cp-Ti（純チタン）グレード1、グレード2：チタンは人体との生体適合性が高いため、医療業界で幅広く使用されています。
●TA15：ほぼチタンにアルミニウムとジルコニウムを加えた合金。この合金から作られた部品は非常に強度が高く、高温にも耐えられるため、航空機やエンジンの強力な部品を作るのに最適です。また、強度の割に非常に軽量です。

アルミニウム

アルミニウムは軽さと強度のバランスに優れた金属です。耐腐食性に加え、溶接も可能です。純粋な状態では非常に希少であるため、物理的および機械的特性を向上させるシリコンやマグネシウムなどの金属を含む合金の形で使用されます。純粋なアルミニウムを得るには、まずバイエル法を用いてボーキサイトからアルミナを得る必要があります。鉱石を洗浄し、粉砕し、苛性ソーダに溶解し、濾過して純粋な水酸化アルミニウムを得ます。その後加熱処理を施してアルミナ粉末を得る。次に、ホール・エロー法を使用してアルミナを電解還元し、純粋なアルミニウムを得ます。

前述のように、アルミニウム合金は純アルミニウムよりも一般的であり、多くの産業用途で使用されています。さらに、強度対重量比が非常に優れており、疲労および腐食に対する耐性も非常に優れています。また、リサイクル可能で、熱伝導性、電気伝導性があり、毒性も低いです。

アルミニウム 3D プリントに使用される主な合金は次のとおりです。

●AlSi10Mg：シリコンとマグネシウムで形成される最も一般的な合金です。強度が高く複雑な部品を作成するために使用でき、ハウジング、エンジン部品、生産ツールの製造に使用されます。
●Al2139：軽量、高強度、耐薬品性を備え、自動車産業などに最適な最強のアルミニウム合金です。すでに米国空軍、メルセデス・ベンツ、エアバスなどの組織で使用されています。この材料の優れた点は、積層造形用に特別に設計されており、市場に出回っている他の多くの合金よりも性能が優れていることです。
●Al7000シリーズ：高引張強度と低温耐性を備えた有名な粉末合金シリーズです。
●Al 6061 および Al 7075: この 2 つの合金は、最近 3D メーカーによって大きな効果を発揮して使用されています。 6061 の引張強度と硬度は 7075 よりも低くなります。一方、7075 は 6061 アルミニウムよりも耐衝撃性に優れ、変形が少なくなっています。
●A201.1：銅アルミニウム合金200シリーズに属し、非常に強度が高いことで知られています。しかし、鋳造するのは困難です。これらの合金は、輸送や航空宇宙など、強度と重量の比率が重要となる用途に推奨されます。

この2つの違いは何でしょうか?

強度と重量の比という点では、チタンは高い強度と堅牢性が求められる場合に最適であり、そのため医療部品や衛星部品にも使用されています。一方、アルミニウムはチタンほど強度はありませんが、より軽量で手頃な価格です。熱特性の面では、アルミニウムは高い熱伝導性が求められる用途に適しています。一方、チタンは融点が高いため、航空宇宙エンジン部品などの高温環境での用途に適しています。アルミニウムとチタンはどちらも優れた耐食性を備えています。しかし、チタンはアルミニウムよりも生体適合性が高いため、医療分野で広く使用されています。

材料の形状と3Dプリント技術との互換性

形状

ほとんどの場合、チタンとアルミニウムは粉末の形で提供されますが、Virtual Foundry や Nanoe のチタンワイヤやアルミニウムワイヤなど、ワイヤの形で提供されることもあります。これらの金属で部品を 3D プリントするには、まず合金粉末を入手する必要があります。これは、プラズマ噴霧法とガス噴霧法という 2 つの主な技術を使用して行われます。プラズマ（イオン化ガス）噴霧法は、高温、エネルギー、熱源、不活性媒体（アルゴンなど）、高速を使用して金属を噴霧するプロセスです。このプロセスにより、高品質の耐摩耗性粉末が生成されます。ガスアトマイゼーションでは、溶融材料の流れを分解するために、空気、アルゴン、またはヘリウムをガスとして使用します。これは非常に効果的なプロセスであり、微細な球状金属粉末の製造に広く使用されています。

使用される3Dプリント技術

3D プリントでチタンを使用する場合、使用できるプロセスには、レーザー粉末床溶融結合法 (L-PBF)、DED、バインダージェッティング (BJ) などがあります。アルミニウム関連のプロセスとしては、すでに述べたものに加えて、コールドスプレーがあります。

L-PBF では、レーザービームを使用して粉末金属を融点まで加熱し、オブジェクトを層ごとに構築します。チタンは非常に高い温度（1,600°C）で溶けるため、3D プリントする前に材料に対する熱的および機械的影響を分析する必要があります。アルミニウムの融点ははるかに低い（約 630°C）ですが、反射率と熱伝導性が非常に高いです。アルミニウムの付加製造におけるもう一つの興味深い点は、自然な酸化層が形成されることです。

DED に関しては、前のプロセスと非常に似ていますが、ここでは材料がノズルによって堆積される間に溶融され、粉末またはワイヤの形で製造に使用できます。通常、この技術により、生産速度が向上し、単位量あたりのコストが削減されます。

BJ のプロセスでは、材料は未溶融の粉末の形をしていますが、粒子が互いに付着するように、マルチジェット印刷を使用して特定の場所の層にバインダーがスプレーされます。印刷後には焼結工程またはその他の後硬化処理が必要となります。 3D プリンターから出力された時点では、これらの部品は非常に脆く多孔質であるため、最終的な機械的特性を得るには熱処理が必要です。

コールドスプレー法では、金属材料も粉末状ですが、この場合は溶融または融合する必要がないため、コールドスプレー法では熱変形が回避され、保護雰囲気も必要ありません。

後処理

最良の結果を得るには、1 つ以上の後処理手順が必要です。チタンとアルミニウムの後処理には特別な違いはないので、次の手順は両方の材料に適用されます。チタンとアルミニウムは機械的ストレスを受ける用途で使用されることが多いため、ショットピーニングは非常に有用です。小さな金属またはセラミックのビーズを部品の表面に吹き付けて、部品の表面層を制御された形で変形させます。これにより、後続のコーティングの密着性が向上し、ひび割れや破損などの可能性が低くなります。ショットピーニングでは、材料の最上層のみを除去するため、部品の美観が向上し、汚れや腐食が除去され、その後のコーティングのために表面が準備されます。

もう一つの選択肢は、金属印刷と従来の製造方法を組み合わせることです。 CNC 加工は、厳しい公差と必要な表面仕上げを保証するため、この目的に適した後処理です。特に DED 技術では、排出プロセス中に金属が直接溶けるため、3D プリントされた部品の表面は非常に粗くなります。したがって、滑らかで明確な表面を得るには、常に CNC 加工が必要になります。

アニーリングは、印刷された部品を高温に加熱し、急速に冷却して微細構造を変化させる熱処理オプションです。これにより、材料の延性、つまり破損する前に負荷を受けて変形する能力が向上します。通常、このプロセスにより機械的特性が向上し、主にアルミニウム部品に使用されます。

アルミニウムやチタンを FDM や粉末接合などのいわゆる間接 3D 印刷プロセスで使用する場合も、焼結が必要です。印刷段階の後、部品はポリマーを金属バインダーから分離するための脱バインダープロセスを経る必要があります。次に、部品は焼結炉で融点よりわずかに低い特定の温度まで加熱され、最終製品が固まります。この結果、接着剤が存在する空洞がプロセス中に圧縮され、部品が収縮するため、多孔性が極めて低い部品が生成されます。

応用

航空宇宙産業は、チタンを使用した付加製造に大きな利点があることを発見しました。高応力構造の重量を大幅に軽減できるため、ジェットエンジンやガスタービンなどの航空宇宙部品の製造に最適な材料です。チタンが積層造形に使用されている例としては、ボーイング社がノルスク・チタニウム社と共同で 787 ドリームライナーの大型構造部品を製造したケースが挙げられます。このプロセスで使用される技術はDEDであり、粉末ベースのシステムよりも50〜100倍高速で、鍛造よりも25〜50パーセント少ないチタンを使用し、航空機1機あたり最大300万ドルを節約できる可能性があると言われています。

チタンは現在、3D プリントによる宇宙探査に使用されていますが、アルミニウムの産業用途は拡大しています。たとえばボーイングは、冷却段階でナノ粒子をコーティングしたアルミニウム合金を使用して 3D プリント部品を製造しています。これにより、高温でも割れることなく、極めて強力なアルミニウム合金を溶接することが可能になります。部品が軽量化されるため、航空機は燃料を効率的に使用し、同じ量の燃料でより長い距離を飛行できるようになります。

自動車分野ではチタンの価格が高いため、その広範な使用は妨げられる可能性がありますが、この分野、特に高級品分野ではチタンの使用が増加する可能性があります。現在、重量と性能の比率が重要となる部品の製造には 3D プリンティングが使用されています。たとえば、ブガッティは SLM テクノロジーを使用して、チタン製ブレーキシステム用のブレーキキャリパーをわずか 45 時間で印刷しました。その結果、従来のアルミ削り出しブレーキキャリパーよりも 40 パーセント軽量化されたとされています。チタン製の部品は軽量であるにもかかわらず、弾力性と耐熱性も確保しています。

一方、アルミニウムは自動車業界でより一般的です。ポルシェは、主力モデル 911 GT2 RS 用の高性能アルミニウムピストンを 3D プリントで製造しています。この技術を使用することで、700馬力のツインターボエンジンは最大30馬力まで出力が向上し、効率が向上します。さらに、ポルシェは2020年に、同社の品質および負荷テストをすべて合格した電動トランスミッション用のオールアルミニウム3Dプリントハウジングを製造しました。

最後に、チタンは強度と耐腐食性が高く、生体適合性もあるため、医療業界では非常に魅力的な素材であり、整形外科や歯科インプラントに最適です。 3D プリントにより、骨の質感を模倣した多孔質構造の作成が可能になり、骨と組織の急速な治癒と成長を促進できます。トルコのTrabTechは、チタンを使用して股関節などの骨梁インプラントを製造しています。アルミニウムは医療業界ではチタンほど一般的ではありませんが、整形外科や歯科の用途に使用できます。

価格とメーカー

チタンの大きな欠点の一つは、価格が高いことです。 Wohlers 2021によると、Ti-6AI-4Vチタン合金粉末または純粋なグレード2チタンの価格は1キログラムあたり約363ドルで、最も高価な部品の1つとなっています。一方、アルミニウムははるかに安価で、AlSi7 アルミニウム合金粉末の価格は 1kg あたり 94 ドル、AISi10Mg は 1kg あたり 98 ドルです。

製造面では、Heraeus Additive Manufacturing は貴金属加工を専門とするドイツの企業で、6Al-4V、グレード 5、グレード 23 などさまざまな種類のチタンを生産しています。一方、GKN では純チタンとベータ 21S チタンを提供しています。アルミニウムに関しては、Uniformity Labs と Equispheres が AISi10Mg アルミニウム合金を製造し、APWorks が 7000 シリーズのアルミニウム合金粉末を製造しています。

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