積層造形で使用される金属粉末のプロセスと性能、および最終製品への影響について簡単に説明します。

出典：国家薬品監督管理局医療機器技術評価センター

医療用画像とデジタル化の急速な発展に伴い、パーソナライゼーションと精度は整形外科の発展における重要な方向となっています。付加製造技術は、整形外科手術におけるパーソナライゼーションと精度を実現するための効果的な手段です。整形外科用インプラント製造業者は、付加製造技術を使用して製造され、海綿骨に類似した多孔質構造を持つ金属製寛骨臼カップ、人工椎体、椎体間固定ケージを承認しています。現在、整形外科用インプラントに使用される積層造形製品は、主にTi-6Al-4Vチタン合金粉末を原料として、電子ビーム溶融法（EBM）と選択的レーザー溶融法（SLM）の技術を使用して製造されています。金属粉末の粒子形態、粒度分布、流動性などの特性は、積層造形の最終製品の性能に重要な影響を及ぼします。この記事では、積層造形用の金属粉末の製造プロセスと、粉末の重要な特性と最終製品への影響について簡単に紹介します。

△ 図1 整形外科用インプラントの積層造形プロセス
1. 金属粉末製造工程

金属粉末の製造工程は、製錬された合金原料（インゴット、棒、線など）を高温で溶かし、その後霧化して粉末を形成することです。現在、主な製造プロセス方法は、水アトマイズ法、ガスアトマイズ法（電極誘導溶融ガスアトマイズ法、電極誘導加熱ガスアトマイズ法）、プラズマアトマイズ法、プラズマ回転電極アトマイズ法（プラズマ回転電極法）、水素化脱水素法です。

△表1 積層造形用金属粉末の製造プロセスガスアトマイズ法は、原料を空気、不活性ガスまたは真空条件下で溶融し、溶融合金液を高速空気、窒素、ヘリウムまたはアルゴンノズルを通して粒子にアトマイズする方法です。粉末粒子は主に球形ですが、一部に不規則な粒子があり、粒子サイズは 0 ～ 500 μm の範囲です。 20～150 μm の範囲の粉末の出力は、総出力の 10% ～ 50% の間で変動します。

△図2 ガスアトマイズプロセスプラズマアトマイズ法は、溶融合金線または粉砕粉末を原料として使用し、プラズマアークとガススプレーガンの作用により粒子にアトマイズされます。粒度分布は0～200μmで、粒子は良好な真球度を有します。プラズマ回転電極噴霧法はプラズマ噴霧法をベースとし、棒を原料として用いる。供給過程で棒を回転させ、形成された粒子がキャビティに接触する前に固化するため、粉末の純度が高くなります。粒子サイズは100μm未満であり、製造コストが非常に高くなります。

△図3 プラズマアトマイゼーションプロセス水アトマイゼーション法と水素化脱水素法は粉末を製造するコストが低いですが、これら2つの方法で製造された粒子の形態は不規則であるため、積層造形分野での応用は比較的限られています。図4からわかるように、ガスアトマイズ法で製造されたTi-6Al-4V粉末の形態は球体に似ていますが、プラズマ回転電極アトマイズ法で製造されたTi-6Al-4V粉末は純度が高く、粒子の形態が球形に近くなっています。

△図4 異なるプロセスで製造されたTi-6Al-4V粉末の走査型電子顕微鏡（SEM）画像：（a）水アトマイズ法、（b）ガスアトマイズ法、（c）プラズマアトマイズ法、（d）プラズマ回転電極アトマイズ法。
2. 粉体特性の主要指標

積層造形製品の品質は、ワークピースの密度、寸法精度、表面仕上げ、印刷速度、機械的特性などの側面から総合的に評価できます。粉末ベッドと AM 装置のパラメータは密接に関連しているため、優れた製品品質を実現するには、粉末ベッドの特性と AM 装置のパラメータの安定性と一貫性を保証する必要があります。現在、粉体特性に影響を与える主要な指標と試験特性評価方法は主に以下のとおりです。

△表2 主要指標と試験特性評価方法
ASTM F3049-14規格は、粉末粒度分布（ISO 13320-1、レーザー粒度分析計試験方法、ISO 4497、ふるい分け法）、ゆるい密度（ISO 3923-1およびISO 3923-2、粉末嵩密度の評価）、流動性（ASTM B213、ASTM B964）など、積層造形用金属粉末の性能に関する試験項目を規定しています。

（１）粒子形態

粒子の形態は、粉体の嵩密度と流動特性に大きな影響を与えます。不規則な粒子と比較すると、球状または規則的な等軸粒子は秩序があり、密に詰まっている傾向があります。研究により、粒子の形態は粉末の充填密度、ひいては印刷されたワークピースの密度に大きな影響を与えることがわかっています。粒子の形態が不規則であればあるほど、粒子の充填密度は低くなり、積層造形製品に欠陥が生じます。

△ 図5 粒子の蓄積が積層造形製品の密度に与える影響
（２）粒度分布

エネルギー源のビームスポット径が一定であるという条件下では、粒子サイズ分布によって最小印刷層の厚さとワークピースの詳細サイズの精度が決まります。粒子サイズが小さいほど、ワークピースの寸法精度は高くなりますが、層の厚さが薄いため、ワークピースの印刷効率は低くなります。固体構造を積層製造する場合、大きな球体を積み重ねてフレームワークを形成し、小さな球体で大きな球体間の空隙を埋めることで、比較的高密度の構造を形成します。したがって、緻密な材料構造には異なる粒子サイズの粉末が必要であり、通常、異なる粒子サイズの粉末は一定の体積分率に従って混合されます。

通常、EBM で使用される粉末の粒度分布は 45 ～ 106 μm ですが、SLM で使用される粉末の粒度分布は 15 ～ 45 μm と狭くなります。粉末の粒子サイズ分布は、印刷されたコンポーネントの最小層厚と細部の解像度の両方に大きな影響を与えます。しかし、より細かい粉末を使用すると、健康や安全上の問題のリスクが高まります。これは、微粒子がより可燃性および爆発性になりやすいチタンなどの反応性材料を扱う場合に特に当てはまります。

（３）バルク充填および流動特性

積層造形技術において、粉末の流動性は非常に重要な性能指標です。供給された粉末は、薄く均一な粉末層に正確に積み重ねられ、粉末層間の溶融によってワークピースの密度の均一性が決まります。機械式スクレーパーローラーは、流動性の良い粉末と比較して、粉末ベッド上で凝集した粗い粉末を粉末ベッドから簡単に押し出し、元の堆積位置に空きスペースを残します。粉末の流動性が悪いため、穴を埋めることができず、最終的には最終的な印刷製品の品質が低下する可能性があります（内部に穴が形成）。図6を参照してください。粉末の流動性は次の規則に従う必要があります。

（a）球状の粉末粒子は、不規則な形状や角張った形状の粉末よりも流動性が優れている。
（ｂ）粒子サイズは流動性に大きな影響を与え、粒子が大きいほど流動性が良好となる。
（ｃ）粉体中の湿気は粒子間の毛細管現象により流動性を低下させる。
（ｄ）流動性を測定する場合、粉体の流動性は粉体の嵩密度と関係があり、嵩密度の高い粉体の流動性は嵩密度の低い粉体の流動性よりも悪くなります。
(e) ファンデルワールス力や静電気力などの隣接する粒子間の引力は、粉体の流動性に影響を与えたり、粉体の凝集を引き起こしたりすることがあります。粉体の粒子サイズが小さいほど、この力は顕著になります。

△ 図6 積層造形物の最終製品の多孔性
（４）化学組成

窒素と酸素は合金内の格子間原子として、積層造形されたチタン合金の性能に大きな影響を与えます。例えば、Ti-6Al-4V と純チタンの引張強度と伸びは O 含有量の影響を受けます。O 含有量が増加すると、引張強度は増加しますが、伸びは大幅に減少し、最終製品は図 7 に示すように脆性破壊を起こしやすくなります。

△ 図7 異なるO含有量の積層造形チタン合金および純チタン製品の機械的性質の変化：（a）ビッカース硬度、（b）引張強度、（c）破断伸び
参考文献:

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積層造形で使用される金属粉末のプロセスと性能、および最終製品への影響について簡単に説明します。

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