3Dプリントアルミニウム：将来的に軽量化と大量生産を実現できる新素材

はじめに: アルミニウムとアルミニウム合金は、大量生産アプリケーションに向けた積層造形開発の次の段階において最も有望な材料の 1 つと考えられています。これは主に、チタン合金などの軽量金属に比べてアルミニウムが優れた機械的特性を持ち、価格が安いことに起因しています。しかし、アルミニウム 3D プリントが直面するいくつかの固有の課題が効果的に解決されていないため、積層造形で製造されたアルミニウムベースの部品の産業応用には、まだ長い道のりが残っています。
△Equispheresのアルミニウム合金粉末は100ミクロンに拡大されています。同時に、特にロシアとウクライナの紛争により世界的な緊張が高まったため、ここ数ヶ月、アルミニウムの価格、生産、供給の急激な変動がサプライチェーンを悩ませてきました。 1つ目は、ロシアが世界市場へのアルミニウムの主要供給国であり、ロシア最大の製造業者であるRUSALがEUのアルミニウム需要の40％を供給していることだ。第二に、アルミニウムの製錬は電力を大量に消費するプロセスであるため、最近のエネルギー危機の影響を受けています。場合によっては、積層造形は、特定の積層造形部品の製造に必要な材料の量を削減することで、サプライチェーンの回復力に対するソリューションを提供できます。
アルミニウム 3D プリントの材料と技術 アルミニウム 3D プリントにおける初期の課題の 1 つは、積層造形で使用されるほぼすべてのアルミニウム合金が、もともと鋳造用途向けに開発されたものであったことです。実際、現在までに積層造形で最も一般的に使用されているアルミニウム合金は、優れた硬度、強度、動的靭性を備えた時効硬化アルミニウム合金である AlSi10Mg であり、従来は鋳造合金として使用されてきました。 AlSi10Mg から作られた粉末は積層造形でよく使用され、最終部品は耐腐食性が高く、密度が低く、機械的強度が高いという特徴があります。
△積層造形用アルミニウム合金材料と関連技術の一般的な市販品出典：3dpbm Research ****：開発を表す
レーザー粉末床溶融結合（L-PBF）用アルミニウム材料 一般的なアルミニウム合金材料の場合、ほとんどのハードウェア企業とサービスプロバイダーは、処理に L-PBF テクノロジを使用しています。たとえば、米国企業 Velo3D は、サファイアシステムを使用してアルミニウム F357 製の部品を 3D プリントするプロセスを開発しました。これにより、特に航空宇宙産業や防衛産業における薄壁熱伝達用途において、鋳造グレードのアルミニウム合金に新たな機会が生まれます。アルミニウム F357 は陽極酸化処理が可能で、一般的な鋳造合金 A357 と同様の特性を持つため、理想的な材料と考えられていました。同じ頃、ハネウェルと SLM ソリューションズのコラボレーションの一環として、ダイカストで製造された部品に比べて材料特性が大幅に改善された、新開発のアルミニウム合金 F357 パラメータパッケージ、AlSi7Mg0,6 (A357 の新しいベリリウムフリーバージョン) が開発されました。ハネウェルとSLMソリューションズは、航空宇宙産業の要件を満たすために3Dプリント航空機部品の製造時間と製造コストを削減することを目指し、高層厚の金属粉末ベッドフュージョンに基づく3Dプリントを開発するための提携を2019年に発表しました。
△A20Xは積層造形用に特別に開発されました。現在、ALTANAグループ傘下のECKART社が、この素材の開発元であるAMT社を買収し、世界的に商品化を進めています。
AM 向けに特別に設計されたアルミニウム合金が市場で採用され始めたのはごく最近のことです。最初で最も人気があるのは、航空宇宙専門企業の APWORKS (現在は Premium AEROTEC の一部) が開発、販売した Scalmalloy です。世界的に、Scalmalloy 製造能力を持つサービスプロバイダーには、3T や Zare (BEAMIT が買収)、Sauber Engineering、Metron、https://www.3dprintingbusiness.directory/company/toolcraft/、PolyShape (現在は AddUp の一部)、Pankl、Quadrus Corporation など、金属積層製造の大手企業が含まれます。
AM 用のもう一つの一般的なアルミニウム合金材料は A20X です。これは AM 専用に開発され、最大 511 MPa の引張強度、最大 440 MPa の降伏強度、最大 13% の破断伸びを実現します。 A20Xは、原材料開発会社AMTの買収に伴い、ALTANAグループの子会社であるECKARTによって世界的に商品化されています。
△電動バイクのフレームも、APWORKSのスカルマロイ合金を使用して印刷されています。ロシアとウクライナの紛争の前に、世界最大のアルミニウムメーカーの1つであるRUSALは、鋳造合金と、積層造形プロセス用に特別に開発され、持続可能性と低エネルギー消費の要件に合わせて最適化されたいくつかの合金を含む、アルミニウムの積層造形用のアルミニウム製品のALLOWシリーズを発売しました。これらには、高温割れに耐性のある 2xxx シリーズ合金の RS-230 AlCu、250°C までの用途に適した RS-390 AlSiNi、および Scalmalloy よりも大幅に低価格で販売されている耐腐食性、高強度の材料である RS 507 AlMg と RS-553AlMgSc が含まれます。ロシア産アルミニウムの全面禁止の脅しはまだ発効していないが、世界のアルミニウムの6％を生産するRUSALのアルミニウム粉末の商業的見通しは不明だ。
2020年、フランスの企業Constelliumは、L-PBF向けに最適化された新世代の高性能アルミニウム粉末であるAheaddを発売しました。その中でも、高い導電性と生産性の向上が求められる場合、Aheadd CP1 (Al-Zr-Fe) が最適なソリューションです。高度な HT1 (アルミニウム、マンガン、ニッケル、銅、ジルコニウム) は、高温および強度の要件を満たすソリューションです。
A20X、ALLOW、Aheaddに加えて、カナダの電力メーカーEquispheresも、積層造形用の高性能で微細なアルミニウム粉末のシリーズを発売しました（これらは各製品のブランド名とその用途です）。同社は、大量生産の軽量積層造形部品の実現を目標に、積層造形におけるプロセスの信頼性、生産速度、部品の性能を向上させる、完全に均質で完全な球形の粉末を開発しました。 Equispheres は、開発を加速するために TRUMPF、LockheedMartin、Aconity3D、Morf3D とも協力しています。
アルミニウム用バインダージェット
Equisphere のアルミニウム粉末は、改質や添加物なしで焼結できます。これにより、バインダージェッティングプリンタープラットフォームでパフォーマンス上の利点がもたらされます。バインダージェッティングプロセスは、付加製造を次のレベルに引き上げる画期的な技術として高く評価されており、これらの本質的に焼結されたアルミニウム粉末は、軽量部品の大規模生産への扉を開くでしょう。
ここで、アルミニウムバインダージェッティングという新しい話題に移ります。金属 PBF プロセスは、より大規模で高速かつ自動化されたシステムによって効率化が進むため、アルミニウム合金の採用と需要は大幅に増加すると予想されます。しかし、積層造形におけるアルミニウムの広範な採用に対する大きな課題は、高スループットのバインダージェッティングが大量生産を実現できる製造プロセスである一方で、アルミニウムの低コストがこの利点を十分に増幅できることです。材料開発の面では、ハイスループットバインダージェッティングに使用される材料は、当初は主に射出成形（MIM）プロセスで使用される金属材料から調整されていましたが、アルミニウムとその合金のバインダージェッティング技術の開発は遅れていました。
△ 6061 材料で 3D プリントされた高解像度および形状のアルミニウムエンジンブロックモデル。Ford と ExOne (現在は Desktop Metal の一部) が共同開発した新しいバインダージェット 3D プリントおよび焼結プロセス (特許出願中) によって製造されています。従来の MIM と同様に、バインダージェッティングでは、まず金属粉末をバインダーと混合して、成形可能な部品または積層製造部品を作ります。その後、緑色の部品は炉で焼結されます。熱によりバインダーが除去され、酸化物層が還元されます。金属粉末を結合して固体を形成します。アルミニウムの焼結は困難です。粒子を囲む酸化物層は極めて高い温度でしか除去できない一方で、アルミニウムの融点は比較的低いため、焼結の最高温度が制限されるからです。したがって、金属シート全体が溶ける前にアルミニウム粉末上の酸化物層を除去することは非常に困難です。
この問題の解決策は数年にわたって研究されてきましたが、バインダー噴射可能材料としてのアルミニウムの完全な商業化は未だ実現されていません。しかし、今日では状況は変わりつつあるかもしれない。 2021年初頭、バインダージェッティング企業2社、Desktop MetalとExOne（現在は合併）は、それぞれアルミニウム6061の焼結において大きな進歩を達成し、バインダージェッティング技術を使用して関連材料の部品を製造しました。
Desktop Metal が開発した新しいアルミニウム 6061 粉末は、完全な焼結が可能であり、粉末粒子のコーティング、粉末への焼結助剤の混合、高価なナノ粒子を含むバインダーの使用、鉛、スズ、マグネシウムなどの金属の添加を必要とした従来のアルミニウム焼結技術に比べて大幅に改善されています。重要なのは、Desktop Metal の粉末は水性バインダーとも互換性があり、市販されている他の 6061 アルミニウム粉末よりも最小着火エネルギー (MIE) が高く、安全性が向上していることです。 Desktop Metal と Uniformity Labs は、粉末を検証し、商業的に実現可能な生産規模を拡大する取り組みを行っています。完全に認定されると、Uniformity 6061 アルミニウムは、デスクトップ金属生産システムプラットフォームで使用できるようになります。
バインダージェッティング材料としてのアルミニウムの可能性は非常に大きく、リコーはこれまで金属積層造形戦略全体をこの特定分野に集中させてきました。この技術はまだ商業化されていないが、複雑でかなり大きな部品を生産する能力があることが実証されている。

動的圧縮に使用できるアルミニウム材料 オーストラリアの別の企業である SPEE3D は、運動学的固化 (別名コールドスプレー粉末) の一種である Supersonic 3D Deposition 技術を通じて、(非球形の) アルミニウム粉末 (6061、5056、7075 を含む) の高速大判 3D 印刷をサポートしています。これは、タービンノズルが空気を音速の3倍まで加速し、その中に金属粉末を注入し、6軸ロボットアームで操作される基板上に堆積させる特許取得済みのプロセスの名前です。このプロセスでは、粒子同士が衝突する際の純粋な運動エネルギーによって粉末が結合し、鋳造よりも優れた冶金特性を持つ高密度の部品が形成されます。
ワイヤーを原料として 3D プリントしたアルミニウム アルミニウム合金は、高スループット WAAM (ワイヤアーク積層造形) プロセスにおいても価値があり、コスト効率に優れた材料であることが証明されています。さまざまなタイプの WAAM テクノロジーにおけるさまざまなアルミニウム合金の使用は、現在活発に研究されている分野です。最近の研究では、最も有望な合金は AlLi、AlCu、Al-Mg、AlZnMgCu、AlCuMg、AlSiMg、AlMgSi、AlMgMn/AlMg5Mn であることが示されています (これらの合金は、強度と耐腐食性が高いため特に注目されています)。世界中のいくつかのワイヤーベースの金属 DED 企業も、アルミニウムを主要材料として挙げています。
AML3D は、Arcemy システムを通じて WAM (ワイヤ積層造形) 技術を販売しているオーストラリアの企業です。このシステムは、ワイヤ形状のさまざまなアルミニウム合金、具体的には 2319、4043、5183、5183 (0.2% Sc)、5356、5087 の使用をサポートしています。 WAM プロセスは、直接エネルギー堆積を特徴としています。これは、局所的な不活性ガスを使用してオープンな自由形状製造環境で金属部品を印刷するために使用できる 3D 印刷標準であり、電子ビーム、ワイヤ供給レーザー、レーザー焼結プロセスなどの他のワイヤ供給金属印刷技術と比較して、製造コストを削減しながら材料特性を向上させます。
△AML3Dの大型Arcemyシステム
さまざまな注目度の高いアプリケーションで知られる WAAM テクノロジーのオランダのリーダーである MX3D は、WAAM テクノロジーと互換性のある幅広いアルミニウム材料を認定しました (生産サービスおよび M1 ハードウェアシステムを通じて利用可能)。これらには、ワイヤ形状の AlSi10Mg (4046) と AlSi7Mg (4018) のほか、5356 と 5087 が含まれます。 WAAM3D は、先進的で高度に自動化された roboWAAM システムで最近市場に参入し、アルミニウム線 (2024 および 5087) も提供している英国企業です。
これらの合金は、WAAM1D の CMT-WAAM (コールドメタルスプレー) プロセスの「クラス 3」材料としてリストされています。つまり、同社は材料に固有の主要なプロセスパラメータを設定し、欠陥のない正しい形状が印刷されるようにしています。これらは、WAAM0D の PTA-WAAM (プラズマトランスファーアーク) プロセス用の「クラス 3」材料としても利用可能であり、ユーザーは独自の開発のためにプロセスパラメータを選択する必要があります。
△MX3Dチームは、自動車や海事分野で採用されているM1システムの2021年の発売を祝います。
Meltio は、高速かつ低コストのワイヤベースの積層造形システムを販売する急成長企業ですが、現在サポートしている材料の中にアルミニウムは含まれていません。また、ゼロックス社が最近、液体金属印刷法をベースとし、技術の応用と成長戦略の主材料としてアルミニウムに重点を置いたElemXプロジェクトを放棄したことも注目に値する。
米国では、防衛用途に重点を置く成長中の新興企業である MELD が、従来の核融合ベースのプロセスよりも低いエネルギー要件で、残留応力が低く密度が完全な高品質の材料と部品を製造するための固体プロセス (つまり、プロセス中に材料が融点に達しないプロセス) を開発しました。 MELD プロセスは、金属積層造形市場ではこれまで見られなかった規模で大型金属部品を印刷することができ、融合ベースの金属積層造形プロセスよりも少なくとも 10 倍速く材料を堆積します。 MELD の最初の商用マシンである B8 は、固体金属棒を使用しますが、さまざまな粉末を組み合わせて、Al-SiC、Al-Fe、Al-W、Al-Mo などの金属マトリックス複合材 (MMC) を作成することもできます。
△英国WAAM3D社の新型roboWAAMシステム材料サプライヤーの中で、voestalpine Böhler社の積層造形材料ポートフォリオには、WAAM用の非指定アルミ線が含まれています。しかし、WAAM 技術を使用したアルミニウム材料の製造は、依然として多孔性や凝固亀裂などの欠陥によって制限されることが多く、部品の強度や延性などの機械的特性が著しく制限される可能性があります。最近では、Elementum 3D の経験を基に、積層造形用の金属フィラメントに重点を置いた Fortium Metals というスタートアップが市場に参入しました。当社は、熱間割れや熱間亀裂の問題を解決することにより、1xxx、2xxx、6xxx、7xxxシリーズのアルミニウムを含む「溶接不可能な材料を溶接するための理想的な冶金」の提供を専門としています。
3Dプリントアルミニウム部品の用途 金属開発者や製造業者が積層造形専用のアルミニウムやアルミニウム合金材料をさらに導入するにつれて、金属 3D プリント業界は成長を続けるでしょう。現在、アルミニウムの付加製造アプリケーションの可能性は、まだほとんど未開発のままですが、いくつかの分野では進歩が見られます。
スカルマロイは航空宇宙用途向けに特別に開発され、厳しい環境に適した特性を備えています。アルミニウム-マグネシウム-スカンジウム粉末合金は、強度対重量比が高く、延性と耐腐食性に優れています。この材料をトポロジー最適化と組み合わせて使用することで、軽量で高性能な航空機部品を実現できます。また、APWORKS が 2016 年にはすでにこのアルミニウム合金を使用して 3D プリントされたバイク「Light Rider」を作成したことも特筆に値します。
△メルセデス・ベンツのトラックに使用されている3Dプリントされたアルミニウム製スペアパーツ。
自動車やモータースポーツ分野では、アルミニウム合金の3Dプリント技術が応用されています。注目すべき例としては、BMW i8 ロードスターのウィンドウトラックが挙げられます。金属部品はアルミニウム合金で作られており、通常使用される射出成形プラスチック部品よりも軽量ですが、それでもはるかに剛性があります。その重要性は、Altair Enlighten Award によって認められました。もう一つの重要な応用例は、メルセデス・ベンツが2017年に自社のトラック部門向けの最初のスペアパーツの1つを3Dプリントしたことです。もう一つの重要な取り組みも、ダイムラー、EOS、プレミアムエアロテックのパートナーが NextGen AM プロジェクトに参加した 2017 年に遡ります。このプロジェクトの主な目的は、産業用 3D 印刷プロセスの自動化を推進することであり、特に産業用 3D 印刷用のアルミニウム材料の適格性評価に重点を置いていました。両社は重要な知見を得たと述べ、プロジェクトは2019年に終了した。
モータースポーツは、アルミニウム部品が役割を果たすことができる付加製造のもう一つの急成長分野です。 2020年、F1は2020年シーズンに向けて2種類のElementum 3Dアルミニウム粉末（A6061-RAM1とA2024-RAM2）の使用を承認しました。 Elementum 3DのA6061-RAM2合金は、航空宇宙スタートアップ企業のMasten Space Systemsでも3Dプリント電子ポンプの製造に使用されている。
△Czinger21スーパーカーは、Divergent社がSLM Solutions社と共同で開発しました。各車には最大350個の3Dプリント部品が搭載されており、そのほとんどはアルミニウム合金で作られています。
高級車やスーパーカーの自動車部門は、アルミニウム 3D プリント技術、特に L-PBF 技術の応用に対して依然として最も脆弱です。最も注目すべきは、ダイバージェントとSLMソリューションズが現在取り組んでいるCzinger21ハイパーカーのコラボレーションです。この車には、各車両に最大350個の3Dプリント部品が使用され、その大部分はアルミニウム合金で作られています。
自動車分野で注目すべきはドイツのEDAGグループで、同グループは2020年に8つのパートナーと協力し、自動車部品の3Dプリント用アルミニウム合金を開発した。 Metal CustAlloy は「衝突耐性」を持つように設計されており、他の付加製造アルミニウム材料よりも破断時の強度と伸びが高くなっています。フォードとバインダージェッティング専門企業の ExOne (現在は Desktop Metal の一部) は、量販車への幅広い応用を視野に入れて、バインダージェッティングを使用してアルミニウム 6061 を 3D プリントし、焼結する方法を開発しました。特許出願中のこのプロセスでは、99 パーセントの密度の部品を生産することができます。
アルミニウム合金は、熱交換器やラジエーターの製造など、産業分野でも無数の用途があります。オーストラリアの付加製造会社 Conflux Technology は、付加製造とアルミニウム合金を使用して、より効率的な熱交換器を製造する方法を実証しました。具体的には、同社はEOS M3 10DプリンターとEOSのAlSi3Mg材料を使用して製造された290Dプリント熱交換器を実演しました。現在特許を取得している熱交換器は、航空宇宙、自動車、石油・ガス、化学処理、マイクロプロセッサの冷却など、さまざまな業界でさまざまな用途に使用されています。
△MELD Manufacturing CEO Naci Hardwick氏と金属3Dプリント部品。出典: MELD Manufacturing LinkedIn
大型ワイヤベースのアプリケーション (主に WAAM テクノロジー経由) には、KM Yachtbuilders と MX3D の継続的なコラボレーションの一環である、海運業界向けのアルミニウム部品の研究と 3D プリントを行うアルミニウムキールプロジェクトが含まれます。 3Dプリントされたアルミニウム製キールは、同社のロボットWAAM（ワイヤアーク積層造形）プロセスを使用して製造されました。最近のもう一つのプロジェクトは、MX3D が 3D プリントされたアルミニウム製自転車「Arc Bike II」を発売したことです。
大判のアルミプリント部品といえば、これまでで最大のものは MELD Manufacturing 社によって製造されました。この米国企業は、独自の摩擦固化3D印刷プロセスを使用して、市販のアルミニウムストリップを使用して直径10フィート（3.05メートル）のアルミニウムシリンダーを印刷することにより、屋外機能のスケーラビリティを実証しました。
△MX3DがKMヨットメーカーに提供したアルミ3Dプリントキール
アルミニウム付加製造事業の定量化 3dpbm Research は、現在市場に出回っているすべての AM 製品を検討し、主要な材料ファミリーごとに記録された出荷数に基づいて、金属 AM 市場の最も正確な概要を作成しました。これは、最近発表された「金属付加製造市場の動向と機会」レポートにおける特定の材料ファミリーの 10 年間の予測の基礎となります。

レポートによると、積層造形において最も急速に成長している材料ファミリーはアルミニウムと銅です。アルミニウムは粉末 AM プロセスですでに広く使用されていますが、最近まで、最も人気のある AlSi10Mg を含め、市場に出回っているほぼすべてのアルミニウム AM 粉末は、AM プロセスに適した鋳造合金でした。 2016年にAPWORKSが発売したScalmalloyをはじめ、AM専用に開発された新世代のアルミニウム合金A20Xが市場に参入しています。
積層造形にアルミニウムを採用する際の主な障害は、金属結合プロセスに材料を適応させることです。バインダージェッティング (BMP) プロセスは、コスト効率の高い大量生産を実現することを目的とした技術であるため、積層造形アルミニウム合金の最大の消費地となるでしょう。しかし、BMP プロセスでは、未焼成の部品を炉内で焼結するステップが依然として必要であり、これは現在ようやく対処が始まったばかりの課題のままです。
金属積層造形材料の需要予測に関して、最も明らかな変化はアルミニウム合金用途の急速な成長です。現在、アルミニウム合金は、鋼、チタン、ニッケルに次いで 4 番目に人気のある合金であり、249 年の出荷量は 7.2021 トンで、36 年と比較して +7.2020% 増加しています。 2030年までに、これらは3番目に人気のある合金となり、総金属AM材料出荷量の約20%にあたる5,354トンを占めることになります。バインダージェッティング技術がアルミニウムを大量生産向けに効率よく処理できることが証明されれば、アルミニウムの需要の増加はさらに顕著になる可能性があります。
アルミニウム合金は、収益面で2020年に4番目に大きな材料セグメントであり、わずか1,790万ドルを生み出しましたが、2021年には36.8％増加しました。これにより、積層造形材料市場の規模をよりよく理解できます。成長は著しいものの、3D プリントによる部品製造に必要な数は少なく、また、通常、積層造形によって製造される部品は、プロトタイプやツール (通常は 1 回限り) であれ、少量生産部品であれ、数が少ないです。
これを念頭に置くと、さまざまな潜在的な用途と使用法から、アルミニウムの付加製造がこの 10 年間で急速に成長することが明らかです。現在成熟している金属積層造形材料の中で、アルミニウム合金は33.3%という最も高いCAGRを示すと予想されており、次いでチタン、スチール、ニッケル、コバルト合金が続くと予想されています。これにより、アルミニウムとその合金は予測期間の終わりまでに3番目に重要な収益機会となり、2030年までに年間売上高3億2,100万ドル（1,700%以上の増加）を生み出すことになります。

*この記事は、3dpbmResearch の「金属付加製造市場の動向と機会 2020-2030」レポートから一部抜粋したもので、最新の製品と動向を反映するように更新されています。ご興味のある方は、ここをクリックしてリンクをダウンロードしてください: https://www.3dpbm.com/product/metal-am-market-opportunities-and-trends/

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