3Dプリントアルミニウムの用途と一般的な材料！

はじめに: 自動車部品から衛星アンテナまで、アルミニウムは常に人々の最良の選択でした。現在、積層造形の発展により、新しいアルミニウム材料が絶えず開発されており、3Dプリンターも徐々に高精度化に向かっており、3Dプリントされたアルミニウム部品の用途は拡大しています。 3D プリントで製造されたアルミニウム部品は材料特性が向上し、複雑な形状も実現できます。アルミニウム材料の 3D プリントの応用分野は何ですか?一般的に使用されているアルミニウム材料は何ですか?

△ ピナレロボライド F HR 3D自転車フレームは、英国のメトロン・アディティブ・エンジニアリング社がEOS M400でスカルマロイを使用して3Dプリントした。

●スカルマロイを例に挙げると、スカンジウム、アルミニウム、マグネシウムを原料とし、積層造形専用に開発された高性能合金で、チタンよりも強度が高いのです。研究者たちはこの材料を使って3Dプリントの自転車フレームを作り、一連のテストを実施し、フィリッポ・ガンナがスイス耐久レースで記録破りの速度（時速56.8キロ）を樹立するのに貢献した。「世界最速の自転車」と呼ばれるこの自転車は、大型のEOS M400マシンで3Dプリントされました。

●Uniformity Labs が開発した 3D 印刷用の新しい UniFuse アルミニウム合金 (AlSi10Mg) は、レーザー粉末床溶融アルミニウム印刷を大幅に高速化できます。この材料は高性能で、全体的にコスト効率に優れています。

●SLM Solutions と Velo3D はどちらも、3D プリンターで新しいプロセスを提供しながら、探求と反復を続けており、アルミニウム合金 F357 を使用して、より高性能な部品を作成しています。 SLMソリューションズによれば、このアルミニウム合金は、従来の方法では製造が難しい薄壁や複雑な構造の3Dプリントに最適だという。

航空宇宙企業の Honeywell は SLM と協力して F357 部品の性能を検証しており、Velo3D はフォーミュラ 1、NASCAR、その他のレースシリーズに高度な冷却ソリューションを提供する世界的サプライヤーである PWR と協力して、従来の鋳造よりも積層造形法を使用した方がはるかに速く部品を製造できることを検証しています。

●3DプリンターメーカーのTrumpfは2022年末、金属粉末メーカーのECKA Granulesと緊密に協力し、同社のレーザー粉末ベッドマシン向けに調整されたCustAlloyアルミニウム合金を新しい自動車用途に供給すると発表しました。

△AML3Dはロボットアームを使用して大型部品の製造にアルミニウムワイヤーを堆積させる

△3Dプリント部品。内部機能と複雑なコンポーネントを1つのユニットにプリントできる積層造形技術の能力を実証しています。ヘレウスが積層造形用に開発したアルミニウム合金、スカルマロイで印刷

アルミニウムの利点:
アルミニウム合金は耐薬品性に優れ、非常に軽量で、あらゆる金属の中でも最高の強度対重量比を備えています。

●シリコンとマグネシウムを配合し、過酷な条件にも耐えられることから、航空宇宙産業や自動車産業で多く採用されています。

●アルミニウム、またはあらゆる金属の 3D プリントの最大の利点の 1 つは、他の方法では製造できない内部チャネルや機能を備えた部品を作成できることです。

ユーザーは、複数の部品からなるアセンブリを単一のユニットとして印刷できるため、製造と組み立ての時間を大幅に短縮し、全体的に効率の良い部品を開発できます。

●3Dプリントは廃棄物もあまり出ません（減算型製造方法なので）。これは航空宇宙産業にとって特に重要であり、購入した原材料の重量と最終部品の重量の比率が重要です。

△ポルシェが電気自動車用の3Dプリントアルミシェルを開発

● 鋳造または機械加工されたアルミニウムは、通常、生産コストが高く、製造プロセスでより多くのエネルギーを使用するほか、治具や金型の購入に追加費用がかかりますが、AM ではそうではありません。

●設計作業はソフトウェアを通じて行われるため、物理的なツールや金型を作成せずに完了できます。付加製造メーカーは、少量のカスタム部品を迅速かつ低コストで製造することができ、新たなテクノロジーによって、大量生産と運用コストの削減が実現し続けています。

● パウダーベッド技術を使用して部品を積層するには時間がかかるため、積層造形は通常、カスタマイズや小規模生産に使用されますが、レオナルド社とボーイング社が実証したように、バインダージェット印刷、直接エネルギー堆積法などの方法がこれを変えようとしています。

△ アルミニウムでプリントされたメルセデス・ベンツのスペアパーツ（出典：メルセデス・ベンツ）

プリンターメーカーと材料メーカーが協力して、3D プリントされたアルミニウムの新しい用途を推進している様子をご紹介します。
自動車●フォード・モーター社は2023年3月、年間最大20万個の量産グレードの3Dプリントアルミニウム部品を生産する計画を発表しており、これは産業用の大規模な3Dプリントアルミニウムが登場したことを意味する。フォードは、パートナーである 3D プリンター製造業者 ExOne と数年にわたって協力し、エンジニア、材料科学者、製造専門家のチームを率いて、ダイカストと同等の性能を実現する高速で信頼性の高いバインダージェット 3D 印刷とアルミニウム焼結の特許出願中のプロセスを開発しました。「従来の材料の特性を備えたアルミニウムを3Dプリントする高速で手頃でシンプルな方法を開発することは、より多くの製品を軽量化し、より持続可能な未来を実現するための重要な一歩です」と、エックスワンのCEO、ジョン・ハートナーは語った。

△ ポルシェ 911 の 3D プリントアルミピストン (出典: ポルシェ)

ポルシェの3Dプリントされた高性能アルミピストンが911のフラッグシップモデルGT2 R Sに採用され、700PSのツインターボエンジンのパワーが30PS増加し、効率も向上しました。この先進的な開発によるアルミニウムピストンは、鍛造量産ピストンよりも 10% 軽量で、ピストンクラウンに密閉型冷却ダクトが組み込まれており、従来の方法では製造不可能です。「新しい軽量ピストンのおかげで、エンジン回転数を上げ、ピストンへの熱負荷を減らし、燃焼を最適化することができます」とポルシェの先進ドライブ開発部門のフランク・イッキンガー氏は説明した。ポルシェはまた、2020年に3Dプリントされたアルミニウムを使用して初の完全な電動ドライブハウジングを製造しており、同社によれば、積層レーザー融合プロセスを使用して製造されたエンジンギアボックスユニットは、すべての品質テストと圧力テストに問題なく合格したという。

メルセデス・ベンツは、トラックや自動車のラインアップ向けにアルミニウム交換部品を印刷し、改良している。たとえば、300 SL クーペの室内ミラーのベースでは、交換部品が道路安全の観点から機能的な変更を加えて再設計され、後方視界が最適化されています。

航空宇宙● 航空宇宙では軽量のチタンが金属として選ばれることが多いですが、多くの用途ではアルミニウムが依然として主力となっています。エアバスは、A350 XWBやその他の航空機の部品を3Dプリントするために、特に積層造形用に開発した最新のアルミニウム合金を使用しています。同社はまた、500 個以上の積層造形部品を含む通信衛星に、3D プリントされたアルミニウム部品を使用している。

●ボーイングは、AML3Dとの最近のコラボレーションに加えて、航空機、衛星、ヘリコプターにも3Dプリントされたカスタムアルミニウム部品を使用しています。冷却段階で特殊な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た 3D プリントにより、高温割れなしで溶接できる高強度アルミニウム合金を製造できます。この画期的な技術により、航空機の機体の重量が軽減され、より少ない燃料で航空機がより遠くまで飛行できるようになります。

●ヘリコプターメーカーのレオナルドは、金属積層造形法で油圧・流体動力システムを製造するアイドロ社と、アルミニウム製飛行部品の契約を締結した。レオナルドは、軽量化と、よりコンパクトで複雑な飛行部品の製造を可能にするために、3Dプリントされたアルミニウムに注目しています。

これは航空宇宙産業のトレンドであり、プロセスが成熟し、新しいテクノロジーが市場に参入するにつれて、チタンなどのより確立された特殊材料から、アルミニウムなどのより安価な粉末代替品まで拡大しています。

△このヒートシンクにはElementum 3DのA6061-RAM2アルミニウム合金が使用されています

アルミニウムおよびアルミニウムベースの合金の加工に使用できる金属 3D プリント技術には、次のようなものがあります。
●熱溶解積層法（FDM）
レーザー粉末床溶融結合（LPBF）
電子ビーム溶解法（EBM）
●バインダージェッティング ●常温核融合 ●ワイヤーアーク積層造形法（WAAM）

FDM の場合、現在アルミニウムフィラメントを提供しているのは 2 社のみ (The Virtual Foundry、Zetamix) であり、金属部品の製造を実現するには後処理手順が必要です。これらは、機能部品ではなくプロトタイプの金属部品に最もよく使用されます。

△ 3D プリントにおけるアルミニウム粉末のレーザー粉末床融合 (出典: Gränges)

レーザーパウダーベッドフュージョン (LPBF) は最も一般的なアルミニウム 3D 印刷技術ですが、この技術を使用するすべてのプリンターがアルミニウム材料を処理できるわけではありません。処理するアルミニウムベースの合金の特性に応じて、LPBF 印刷パラメータを最適化および調整し、多孔性、微細構造、および最終的な材料特性を制御する必要があります。そのため、市場においては材料メーカーとプリンターメーカーの間に特別な関係が存在します。

トップクラスのアルミニウムレーザーパウダーベッドフュージョンプリンター:
EOS
●コンセプトレーザー
ヴェロ3D
●SLMソリューション
3Dシステム
トランプ
ワンクリックメタル

電子ビーム溶解は LPBF に似たプロセスですが、レーザーの代わりに電子ビームを使用します。電子ビームのプロセス温度が高いため、単層の冷却が遅くなり、LPBF と比較して微細構造が粗くなります。純アルミニウムは EBM と互換性がありませんが、チタンアルミニウム合金は互換性があります。

トップアルミニウム合金 EBM 3D プリンター:
● QBEAMエアロ350

コールドスプレーと WAAM を使用すると、ネットシェイプの大型アルミニウム部品を迅速に作成し、その後、より細かい許容差に合わせて機械加工することができます。これは、重工業で使用される個別の独自部品を鋳造するよりもはるかに経済的な方法です。

トップアルミニウムコールドスプレー3Dプリンター:
●スピー3D
●インパクトイノベーション

最高品質のアルミニウム WAAM 3D プリンター:
AL3D について
MX3D
ゲフェルテック
ワアム3D

3D マシンメーカー Grob は、溶融アルミニウムの押し出しに特化した技術を提供しています。これは同社が液体金属プリンティングと呼ぶ粉末を使わない製造プロセスです。 GROB の GMP300 は、より厳しい公差で機械加工されたニアネットシェイプのコンポーネントを製造します。ゼロックス社は、現在米軍施設の一部に設置されているElemX 3Dプリンターで同様の技術を提供しているが、2022年にこの技術を商用化しないことを発表した。

△ Desktop Metal は、X シリーズおよび Production System プリンターで 6061 アルミニウム印刷機能を提供しています (出典: Desktop Metal)

アルミニウムバインダージェッティングは、中規模から大規模のバッチの高速印刷に最適な技術ですが、後処理が必要です。

トップアルミバインダージェット3Dプリンター:
●デスクトップメタル

アルミニウム

△積層造形用アルミニウム粉末（出典：GE）

研究者たちは、積層造形法で製造されたアルミニウム合金材料に関する広範な研究開発作業を行ってきました。 AM の初期の頃は、エンジニアはアルミニウムの取り扱いに課題を抱えていましたが、現在ではこれらの課題は克服されています。新しい高性能アルミニウムと合金は 3D 印刷プロセス専用に設計されており、これらの材料はレーザーと電子ビームによる付加製造の独自の溶融プロセスを活用するように特別に調整されています。いくつかの新興企業は、独自の噴霧技術を採用し、3D プリント専用の高性能アルミニウム合金粉末を製造しています。「印刷可能な」金属材料のリストは過去 3 年間で 2 倍に増え、ユーザーが積層造形を活用できるアプリケーションの数が大幅に増加しました。

△Equispheres AlSi10Mgアルミニウム粉末を使用してAconity3Dで印刷した部品（出典：Aconity3D）

3Dプリント用アルミニウム材料●Uniformity Labsが2023年2月に発売したUniFuse AlSi10Mgは、層厚50〜90ミクロンのレーザー粉末床融合3Dプリント用アルミニウム粉末です。 Uniformity Labs 社によると、現在 UniFuse および UniJet (バインダージェッティング用バージョン) という製品ブランドで製造されているこの粉末は、大規模に繰り返し改良されていく予定だという。

● 材料会社Equispheresによって2022年後半に発売されたNExP-1は、3Dプリント材料の日常的な取り扱いに伴う危険性を軽減する、積層造形用の非爆発性アルミニウム合金原料です。 Equispheres 社はまた、積層造形用に特別に設計された Performance AlSi10Mg 粉末により、Aconity3D レーザー粉末ベッド融合 3D プリンターで複雑なデバイスコンポーネントを印刷する場合、印刷時間を 60% 以上短縮できると述べています。

● 積層造形会社APWorksによって 3D プリント用に特別に開発された Scalmalloy は、積層造形が可能な最も強力なアルミニウム合金です。航空宇宙やモータースポーツの分野で、高強度7000シリーズアルミニウムの代替として使用されています。

● A20Xアルミニウム粉末は、Aluminum Materials Technologies (現在は Eckart Group の一部) によって、特に積層造形用に開発されました。同社によれば、航空宇宙用途向けに設計されたこの特殊合金は、従来のアルミニウムよりもはるかに軽い部品を生産できるという。

● Elementum 3D は、従来のアルミニウム合金の強化バージョンや、同社独自の反応付加製造 (RAM) プロセスを使用して実現した高度な分散強化アルミニウム粉末など、エアロゾル化されたアルミニウム合金付加製造原料粉末を提供しています。 RAM プロセスにより、これまで溶接できず、したがって印刷も不可能だったアルミニウム合金を、金属 3D 印刷の原料粉末として使用できるようになります。

EOS アルミニウムAl2139 AM は、プリンターおよび材料メーカーの EOS が積層造形用に設計した独自のアルミニウム合金で、最大 200 ℃ の高温でも性能を発揮します。 2021 年に発売されたこの合金は、EOS の顧客が強度を損なうことなく製造部品の重量を大幅に削減できるように設計されています (熱処理後の引張強度は約 500 MPa)。

● Aheadd は、レーザー粉末床溶融結合プロセスに最適化された、材料会社 Constellium の 2 種類のアルミニウム粉末のコレクションです。 Aheadd CP1 は、ほぼ純粋なアルミニウムの熱伝導性と電気伝導性、高い延性、優れた表面処理特性など、多くの利点を備えています。この合金は、印刷速度が非常に速く、後処理が簡素化されているため、他の AM アプリケーションにとってもコスト効率の高い代替品となり、Aheadd CP1 はラピッドプロトタイピングと量産に最適なソリューションとなります。

● S220 AMは、スウェーデンのGranges Powder Metallurgy社が2022年に発売したレーザー粉末床溶融結合用の新しいアルミニウム合金です。 S220 アルミニウム合金はシリコン含有量が高く、密度が低く、熱膨張係数が低いです。現在はサービスとしてのみ利用可能です。

Kymera のCustAlloyはレーザー粉末床溶融結合用に設計されており、従来のアルミニウムほど簡単に壊れたり割れたりしないため、衝突関連の用途が可能になり、自動車用途に特に有益です。この特許取得済みの Al-Si-Mg ベースの合金は、最終用途に応じて熱処理することで、高い強度や優れた延性を実現できます。

△3Dプリントされたアルミニウムは後処理して仕上げることができます。 3Dプリントされたフィギュアは、米国に拠点を置くMass Finishing, Inc.のCole Mathisen氏によって完成されました。（写真提供：Cole Mathisen氏）

アルミニウム合金<br /> 現在 3D プリントで使用されているアルミニウム合金の多くは、AlSi10Mg などの単純な鋳造合金です。これらのアルミニウム合金は特に強度が高くなく、高温に耐えられません。それでも、その機械的特性は幅広い用途に適しており、材料は「溶接可能」であるため、ひび割れることなく 3D プリントに使用できます。市場にはさまざまな種類のアルミニウム合金がありますが、ここでは積層造形で使用される一般的なアルミニウム合金をいくつか紹介します。

●AlSi10Mgは、強度、硬度、動的特性に優れた最も一般的なアルミニウム合金です。軽量であるため、優れた熱性能と、困難な形状に対する堅牢な構築性もサポートします。用途としては、ハウジング、ダクト、エンジン部品、生産ツールなどがあります。

●AlSi7Mg0は、アルミニウム、シリコン、少量のマグネシウムを組み合わせて、繊細な物体や複雑な形状に適した、耐久性に優れた軽量合金を作り出します。強度と質量の比率、および優れた熱特性が求められる用途に使用されます。

●Al 6061 および Al 7075。3D メーカーは、以前は積層造形プロセスには不向きであると考えられていた 6061 および 7075 を使用した印刷に成功し始めています。ナノ粒子の組み込みが進んでいます。

6000 シリーズの合金は、その特性により、従来の電気部品や電子部品の製造に最もよく使用される合金の 1 つとなっています。延性があり、熱伝導性と電気伝導性が高く、耐腐食性があります。 6061 は、マグネシウムとシリコンを含む析出硬化型アルミニウム合金です。

●7000シリーズの合金粉末は亜鉛含有量が高く、優れた機械的特性と高い強度で知られており、熱処理も可能です。 7075 は、航空機部品などの高応力構造部品に最も一般的に使用されており、多くの標準的な構造用鋼よりも強度があります。

△Sculpteoのアルミパーツ（出典：Sculpteo）

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