Panxing New Metal | SLM Metal 3DプリントTC4チタン合金粉末の特性と成形性能

Antarctic Bear の紹介: 3D プリントは、高い設計自由度を提供し、複雑な形状やカスタマイズされた部品を最適化する大きな可能性を秘めた、ますます人気の高い製造技術になっています。選択的レーザー溶融法を用いたTC4印刷部品が直面する主な問題の1つは、性能の信頼性です。Peshing New Metalは、チタン合金の選択的レーザー溶融の応用について継続的な研究を行い、材料特性と応用結果の安定性を確保し、「Panxing New Metalテクノロジーホワイトペーパー」を作成しました。この記事は、その内容の一部を抜粋したものです。詳細については、www.peshing.comをご覧ください。

チタン合金の中で、Ti-6Al-4V（TC4）合金材料は応用が最も成熟しています。TC4チタン合金は典型的なα+β二相合金です。その組成には、α相とβ相の両方の利点を考慮して、6％の安定したα相元素Alと4％の安定したβ相元素Vが含まれています。密度が低く、耐熱性、耐腐食性に優れ、比強度が高いため、航空宇宙、バイオメディカルなどの分野で広く使用されています。選択的レーザー溶融法（SLM）は、付加製造技術として、複雑な構造金属部品の材料構造統合ネット成形を実現し、航空宇宙およびバイオメディカルにおける高性能部品の設計と製造のための新しいプロセスを提供します。

Panxing New Metal TC4 粉末の特性<br /> Panxing TC4粉末は、電極誘導溶融ガス噴霧EIGA技術によって製造され、TC4粉末の組成要件とテスト値は表1に示されています。

△表1 TC4粉末の化学組成粉末製造プロセスでは、主要なパラメータを制御することで、継続的かつ安定した効率的な生産が実現されます。粉末を収集した後、ふるい分け、気流分級、バッチ処理などのプロセスを経て、15〜53μmのTC4粉末が製造されます。 15～53μmの粉末の粒度分布は下表2の通りです。粉末の粒度分布は正規分布しており、技術要件を満たしています。

△表2 TC4（15-53μm）の粒度分布
TC4 粉末は、総合的な特性が優れており、流動性も良好で、嵩密度とタップ密度も高くなっています (表 3 を参照)。

△表3 TC4（15-53μm）粉末の総合性能気流分級処理後、0-53μmの粉末は0-20μmの微粉を除去し、物理吸着による粉末の付着と噴霧中に形成された衛星粉末が改善され、粉末は良好な球形度を持ち、球形粉末の表面変形は小さい（図1参照）。

△図1 TC4（15-53μm）粉末形態（×100、×200）
Panxing New Metal TC4 粉末選択レーザー印刷<br /> TC4 標準サンプルの印刷には、GE Concept Laser M2 プリンターを使用しました。保護ガスは高純度アルゴンです。基板は成形前に 200°C に予熱されました。パラメータ設定は表 4 に示されています。 TC4標準サンプルは、図2に示すように、NB 380M真空熱処理炉で800°Cで4時間熱処理され、その後室温まで冷却されました。

△表4 SLM印刷の主なプロセスパラメータ

△図2 M2プリンターと真空熱処理炉

TC4 粉末は直接成形法で標準試験片に印刷され、その寸法が下の図 3 に示されています。

△図3 標準サンプルサイズ図標準サンプルの印刷プロセス中に、粉末を合計6回循環させて循環印刷テストを行いました。下の表5に示すように、6サイクルで印刷されたサンプルの引張強度の範囲は22MPa、降伏強度の範囲は37MPaです。各強度の差は5％未満であり、有意差はありません。伸び率の範囲は1.2%、平均は14.4%です。図4に示すように、6サイクル後に印刷されたサンプルの伸び率に大きな違いはないことがわかります。

△ 図4 TC6の6サイクル後の機械的性質の安定性

したがって、6 回の印刷サイクル中、印刷されたサンプルの機械的特性には大きな違いはありませんでした。つまり、TC4 粉末は、サンプル特性に大きな変化を与えることなく、1 サイクルで少なくとも 6 回印刷できます。印刷されたサンプルの平均引張強度は1027MPa、平均降伏強度は938MPa、平均伸びは14.4%です。

△表5 サイクル印刷サンプルの性能パラメータ

TC4粉末選択レーザー3Dプリントの応用

航空宇宙<br /> 権威ある組織は、航空宇宙分野が積層造形技術の研究開発と産業応用において最も画期的な進歩を遂げる可能性が高い分野であると指摘した。その応用範囲は、部品レベル（航空機、衛星、極超音速機、有人宇宙船の部品の印刷）から機械全体レベル（エンジン、ドローン、マイクロ/ナノ衛星の機械全体の印刷）にまで拡大している。

航空技術の発展に伴い、航空機設計では複雑かつ大規模な統合構造設計がますます重視されるようになり、これは軽量航空機構造設計の重要な発展方向となっています。従来の航空機設計は従来の製造技術によって制限されており、一部のイノベーションには「設計はされているが製造されていない」という問題があります。積層造形技術の発展は、複雑で革新的な構造製造を実現する機会を提供します。典型的な付加製造技術として、選択的レーザー溶融技術は、軽量、高性能構造、構造統合の分野で明らかな利点があり、複雑で革新的な構造を「設計して製造する」方法を提供します。 TC4 材料は、代表的な中温チタン合金として、エンジンケース、吸気ブレード、ビーム、荷重支持構造部品の製造に使用できます。

バイオメディカル 1980 年代以降、チタン合金は口腔修復、歯科インプラント、義歯ブラケットなどの分野で徐々に使用されるようになりました。現在、チタン合金はバイオメディカルインプラント材料の研究で注目されており、その医療用途には人工関節、血管ステント、整形外科用デバイスなどが含まれます。 TC4 は、一般的に使用されているバイオメディカルチタン合金として、我が国で臨床的に使用されています。従来のチタン合金の加工方法は鋳造であり、操作が複雑で、精度が悪く、コストが高く、環境を汚染します。現在、厳選されたレーザー印刷チタンおよびチタン合金は、クラウンおよびブリッジ修復、歯科インプラント、義歯ブラケット、インプラントアバットメントなどの歯科分野、ならびに人工関節プロテーゼ（股関節、膝関節、足首、肩関節、肘関節など）、骨結合製品、骨外傷製品、脊椎固定システムなどの整形外科分野の製造に広く使用されています。

歯科分野では、SLM 技術はカスタマイズされた処理が可能で、最高の臨床応用効果を持つ精密なパーソナライズされた修復物を作成できます。この技術は、歯科用ステント、クラウン、ブリッジの製造においてすでに比較的成熟しています。下の図5に示すように:
整形外科の分野では、多孔質チタン合金は優れた耐腐食性、生体適合性、人体の骨に適合する機械的特性を備えているため、人体にとって理想的な整形外科用代替インプラントとなっています。多孔質チタン材料の独特の多孔質構造と粗い内外面は、骨芽細胞の接着、増殖、分化を助け、新しい骨組織の成長を促進し、インプラントと骨の間の一体化の形成を促進します。下の図 6 は、SLM によって形成された TC4 寛骨臼カップを示しています。

選択的レーザー印刷技術は、自然構造の特定の複雑なデザインを模倣する能力があり、従来の製造方法とは比べものにならないほど優れています。同時に、患者にカスタマイズされたサービスを提供し、さまざまなグループの人々の精密医療のニーズを満たすことができます。

△図5 TC4レーザープリントの歯科分野への応用 △図6 TC4レーザープリントの整形外科分野への応用

Panxing New Metal は、お客様に新しい金属材料ソリューションを提供することに尽力しています。

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