在庫：2021 年の世界重量級金属 3D プリント材料の新開発

はじめに：3D プリント業界は、ほぼすべての製品を製造できる万能産業であり、この巨大な業界を支える基盤は材料です。 3Dプリントに使用される材料は金属と非金属の2種類に分けられ、その中でも航空宇宙、国防、軍事産業などのハイエンド分野では金属材料が大部分を占めています。ハイエンドアプリケーションに対する需要が継続的に増加する中、既存の金属および合金材料の製造上の限界を打破し、より包括的な開発を実現する方法は、解決する必要のある緊急の問題です。今号では、Antarctic Bearが2021年の世界における重量級金属3Dプリント材料の新たな展開をまとめています。それらの成功した応用は、自動車、航空宇宙、電子機器などの分野で新たな道を切り開きました。

1. デジタルメタル、バインダージェッティング方式の3Dプリント用純銅粉末を発売

純銅は延性と導電性に優れており、電線などの電気コネクタの製造に広く使用されています。さらに、銅には抗菌作用があり、医療用途への新たな道が開かれます。積層造形において、銅材料の応用は比較的遅れていましたが、近年急速な発展傾向を示しており、特に防衛・軍事分野では銅合金積層造形の応用が継続的に重要な進歩を遂げ、銅材料積層造形の発展をさらに促進しています。純銅を使用したバインダージェッティングは常に新しい技術です。電子移動度や熱伝導性などの急成長分野で銅の需要が急増しているため、3Dプリントに適した銅材料は画期的な方向となっています。

2021年2月27日、産業用3Dプリンターメーカーのデジタルメタルは、バインダージェット3Dプリント技術に適した新しい純銅粉末「DM Cu」の発売を発表しました。この材料は優れた熱伝導性で知られており、電子製品の熱交換器、パイプ、エンジン、ラジエーターなどの熱伝達部品に最適です。ユーザーは、対応する DM P2500 3D プリンターを使用して、99.9% 純度の銅部品を製造できます。

Digital Metal は、いくつかの社内テストアプリケーションを通じて新しい DM Cu 粉末を試したと理解されています。まず、同社は電波のビームを方向付けるために使用されるホーン導波管アンテナを3Dプリントした。ホーンアンテナなどのコンポーネントは、通常、従来の技術を使用して製造するには非常にコストがかかり、特殊な研究や航空宇宙プロジェクトで少量のみ必要になる場合があります。その結果、各部品のコストが大幅に上昇する可能性がありますが、Digital Metal は 3D プリント技術を通じてこの問題に対処できます。ここでバインダージェッティングを使用することで、同社のエンジニアは軽量で薄壁の構造を選択し、リブを使用して必要な剛性を追加できたため、重量の削減にも役立ちました。

△ 3D プリントされた純銅ホーンアンテナ、画像は Digital Metal より △ 純銅粉末で 3D プリントされた最適化されたヒートシンク、画像は Digital Metal より
中国では、Youyan Additiveも2021年に選択的レーザー溶融に適した高伝導性純Cu粉末を発売し、電気分野などの重要な応用を実現しました。さらに、同社は現在、純Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNiなど、積層造形専用の比較的完全な銅および銅合金粉末製品シリーズを開発しています。

2. AVICマットは、高温合金および高強度アルミニウム合金材料の粉末製造プロセスで画期的な進歩を遂げました。
国産500kg級大容量インテリジェント製粉設備の産業応用を実現

超高純度高温合金粉末製造プロセスにおける画期的な進歩。AVIC Mattが開発したGH3230高温合金粉末は、印刷サンプル内の多数の微小亀裂の問題を効果的に解決しました。この材料は900℃で180MPa以上の降伏強度を持ち、製品品質は安定しています。航空宇宙の顧客にバッチで納品されました。

高強度アルミニウム合金粉末材料に関しては、中強度および高強度アルミニウム合金粉末材料が相次いで開発されており、中強度アルミニウム合金の引張強度は450MPa以上、伸びは10％以上である。高強度アルミニウム合金の引張強度は550MPa以上、伸びは10％以上である。

VIGA500粉末製造設備の建設と高温試験が完了し、500kg級の炉構造設計、誘導コイルと電源投入傾斜機構、るつぼ材料の溶融と成形焼成プロセス、長時間大流量噴霧ノズルなど、多くの最先端技術が突破されました。単一の炉の充填量は500KGに達し、国内の付加製造産業の応用と発展を大幅に促進します。

3.バインダージェット3Dプリント用アルミニウム合金材料が画期的な進歩を遂げた

積層造形が始まった当初、技術者たちはアルミニウムの特殊な性質（非常に酸化しやすい）が加工に大きな課題をもたらすことを発見しました。しかし、これによりアルミニウムには 2 つの別々の発展がもたらされました。 1つは、AM技術を使用して特別に製造された新しい高性能アルミニウム合金です。第二に、ダイカスト用途に特化したアルミニウムソリューションが開発されました。これら 2 つの経路により、3D プリントアプリケーションにおけるアルミニウムの人気が高まっています。

2021年3月、ExOneとDesktop Metalは、6061アルミニウム合金のバインダージェット3Dプリントの実現を同時に発表しました。 Desktop Metal は、Uniformity Labs と共同で、鍛造 6061 アルミニウムよりも 10% 以上の伸びと高い降伏強度および極限引張強度を備えた、完全に密度が高く焼結可能な 6061 アルミニウムを生産する低コストの原料を開発しました。 ExOneは、フォード・モーター社との提携を通じて、アルミニウム合金バインダージェット3Dプリント技術の飛躍的進歩を達成しました。両社は、アルミニウム用の高速で信頼性の高いバインダージェット3Dプリントおよび焼結プロセスを共同で開発しました。このプロセスは、ダイカストに匹敵する性能を提供し、焼結部品の密度は99%に達します。

△6061アルミエンジンブロックモデル 10年以上にわたり、研究者はアルミニウム合金焼結の商業化を避けてきました。その理由は、脱バインダー焼結プロセスによりアルミニウム合金が簡単に燃えてしまうため、アルミニウム合金加工技術にとって大きな課題となっているからです。バインダージェッティング 3D プリントの材料ポートフォリオに軽量金属を追加することで、さまざまな業界におけるさまざまな熱および構造アプリケーションへの扉が開かれます。

4. 新しい高温チタン合金材料 - Ti6242とTi2AlNbは自動車と航空宇宙にさらなる可能性をもたらします

チタン合金粉末は、優れた機械的特性を持つ部品を製造することで知られています。これは、最も価値があり、広く使用されている 3D プリント金属材料の 1 つです。Ti6Al4V が最もよく知られていますが、状況によっては、より多くの選択肢がある方がよいでしょう。 GE Additiveは2021年に、高温および耐クリープ性アプリケーションに適合する3Dプリントチタン合金Ti-6242を発売しました。他のチタン合金との主な違いは、この材料の機械的特性が高温および耐クリープ性アプリケーションに適合できることです。高い機械的強度、溶接性、高温安定性、および 500 ～ 550°C までのクリープ耐性を備えています。他の一般的なチタン合金、特に Ti6Al4V は通常 350°C で動作するため、Ti-6242 はより高い温度で動作できます。同年3月、イタリアのBEAMITグループはチタン合金Ti6242の積層造形プロセスの開発を発表しました。同社はまた、Ti6242は従来の技術で加工された合金よりも優れた性能を持ち、レースや航空宇宙用途の部品の製造にも使用できると述べた。

△Ti6242微細構造中国では、ポリライト社も高比強度、耐酸化性、非磁性、優れた高温機械的特性を持つTi2AlNb材料を発売しました。これは航空宇宙エンジン用の最も有望な材料の 1 つであり、ホットエンド部品用の新しい軽量で高温の構造の製造に適しています。この材料は強度は高いものの、伸び率が低く、室温では非常に脆く、微細構造を持つ複雑な部品に加工することができないため、幅広い用途に大きく制限されます。航空宇宙で一般的に使用されているSLM成形GH3536高温合金材料と比較すると、SLM成形Ti2AlNb材料の強度は900°Cで同等ですが、Ti2AlNb材料の密度はSLM成形GH3536高温合金材料の64.5%にすぎません。 Polyliteが開発した粉末製品は、高温耐性を実現でき、積層造形向けの設計により、複雑で微細かつ最適化された設計構造を実現できます。

5. ケナメタル、粉末床3Dプリント用金属材料「ステライト21」を発売

2021年4月7日、アメリカのケナメタル社はレーザー粉末床積層造形技術の要件を満たす初のステライト金属粉末を発売した。 Stellite 21 は、Delcrome 17-4 粉末や Delcrome 316L 粉末も含まれる Kennametal の積層造形用粉末ポートフォリオに新たに追加されたもので、コバルトクロム合金のユニークな耐腐食性と耐摩耗性を備えていると言われています。

ケナメタルは、最適化された Stellite 21 積層造形粉末が、発電および石油・ガス産業における高性能耐摩耗部品に適していると考えています。また、この材料は流量制御用途に適しており、複雑な設計に組み込むことでキャビテーション、浸食、腐食による故障を軽減できるとも述べています。ステライト粉末の組成は、分散した硬質炭化物を含むコバルト-クロム-モリブデン合金マトリックスを特徴としており、合金の強化、硬度の向上、延性の低減に役立ちます。この素材は、腐食、熱衝撃、機械的衝撃に対しても優れた耐性を示すと言われています。

△ケナステライト21AMパウダー

6. シプマンはタンタルやタングステンなどの高融点金属の3Dプリント材料向けソリューションをリリース

2021年9月9日、シッパーマンは深セン世界展覧コンベンションセンターで開催された第1回Formnext + PM South China展示会で、タンタルやタングステンなどの高融点金属の球状粉末の先進製造ソリューション（GA）を発表しました。南極熊は、金属タングステンの高融点と高硬度（融点は3410度）がタングステン製品の加工を非常に困難にすることを理解しています。3Dプリント技術の発展により、タングステン製品と部品は、化学工業、軍事、国防、医療、原子力などの分野で新しい便利な応用機会をもたらします。 3Dプリントの原料となる球状タングステン粉末、そして同じく高融点金属であるタンタル、ニオブ、モリブデン、バナジウムなどの金属や合金の球状粉末は、まず高融点金属3Dプリントが越えなければならない限界点となるでしょう。

シプマン・アディティブ・テクノロジー（北京）有限公司は、化学法やプラズマ法などの従来の調製方法ではなく、異なるアプローチを採用し、約2年間の探求を経て、2021年3月16日に大気環境での金属タングステン（純度99.95％）の正常な溶解と滴下を完了しました。同年9月、シプマン寧夏工場は標準規格の棒を使用し、「不活性ガス高圧噴霧技術」を採用して、基準を満たす球状タングステン粉末（純度99.95％）と球状タンタル粉末（5200）の製造に成功しました。ガスアトマイズ技術の本質は、高圧不活性ガスを使用して耐火金属の液滴または液体の流れを分解し、球状の液滴粒子を得ることです。冷却後、耐火金属の球状粉末が得られます。この粉末は、ガスアトマイズ粉末の典型的な特性を備えています。

Sipman は、耐火金属球状粉末の製造における「理論、技術、設備、プロセス、製品」の革新の道を歩み始めました。エアロゾル法を採用しており、設備操作が簡単で、製品の純度が高く、エアロゾル粉末は3Dプリントの分野で成熟して使用されており、大量生産が可能です。シップマンは、一連の生産実践を通じて、現在、設備から技術まで2つの知的財産権を形成しています。

7. EOS、3Dプリントに適した新しい耐熱アルミニウム合金材料を開発

現在、耐熱性、高強度、高靭性アルミニウム合金など、特殊な特性を持つアルミニウム合金に対する市場の需要はますます活発になっており、武器、船舶、航空、航空宇宙、自動車などの業界で広く必要とされています。しかし、従来のアルミニウム合金材料では、これらの分野における耐高温性、高比強度などの厳しい要求を満たすことが困難です。高温使用条件を満たす耐高温アルミニウム合金の開発には、良好な発展の見通しがあります。

2021年11月、EOSは積層造形専用に設計され、200℃までの高温でも優れた性能を発揮できる新しいアルミニウム合金素材「Al 2139AM」を発売した。これはEOSが発売した3Dプリント用アルミニウム合金の中で最も強力と言われており、現在市場に出回っている多くの類似素材を凌駕している。この材料は単一ステップの熱処理プロセスで処理することができ、EOS によれば、企業は実際の熱処理時間を最大 88% 節約できるという。熱処理後、Al2139 AM は約 500Mpa の降伏強度と引張強度に達し、部品は電解研磨および陽極酸化処理が可能です。この新しい素材は、2022年初頭にEOS M 290プラットフォームで利用可能になり、その後、他のEOS DMLSシステムでも利用可能になる予定です。強度特性の向上により、強度を損なうことなく部品の重量を大幅に削減する新たな機会が顧客に提供されます。

△EOSが新たに発売したアルミニウムAl2139 AM 3Dプリントホイールフレーム（出典：EOS）
同年12月、陝西興華実業は、独自の知的財産権を持つ耐高温、高強度、高靭性の3Dプリントアルミ合金AK09シリーズも開発しました。この材料は350℃で顕著な高温性能を持ち、引張強度は200MPa、降伏強度は200MPa、伸びは11%です。初期の研究開発と試作により、安定した性能が実証され、現在、小ロット生産・出荷が開始されています。

8. 清華大学の劉静氏のチームは、3次元の機能的な電子機器を迅速に製造するために使用できる液体金属「インク」を開発した。

従来の 3D 印刷は主にプラスチックやポリマーなどの材料に基づいており、それらから印刷されたオブジェクトには通常、電子機能がありません。従来の金属 3D 印刷は、高融点の金属粉末またはワイヤを対象としており、融点の差が大きいため、非金属材料との複合印刷を実現するのは困難です。近年、液体金属プリンテッドエレクトロニクスの発展に伴い、低融点金属ガリウムをベースにした常温液体金属合金材料が徐々に注目を集め、フレキシブルエレクトロニクスやインテリジェントマシンの分野で広く研究・応用されています。

清華大学の劉静教授率いる技術チームは、3Dプリント電子機器の限界を見て、液体金属が3次元電子機器製造の分野で独特の役割を果たす可能性があることに漠然と気づきました。このコンセプトを実現するために、技術チームは多くの実験を行い、2021年11月に3Dプリント技術を使用して一連の複雑な立体構造物を製作しました。この立体構造物の表面は、液体金属材料との接着性が高いポリマーコーティングで覆われ、その後液体金属に浸漬され、液体金属が立体構造物の表面に接着することを実現しました。

△ガリウムインジウム合金で転写されたサンプル △液体金属コーティングで覆われた3次元構造は、異なる温度で調整可能な機械的特性を備えています。この成果は、「空間選択接着を可能にする液体金属の転写印刷による3D電子回路」というタイトルで国際誌Applied Materials Todayに掲載されました。この研究は、3次元機能電子デバイスの迅速な製造のための重要かつスケールアップしやすい実用的な技術を切り開きました。

9. 陝西興華産業3D耐高温、高強度、高靭性3Dプリントアルミ合金材料AK09

陝西星華野3Dテクノロジーは、徹底的な市場分析と3年間の献身的な努力を通じて、独立した知的財産権を持つ耐熱性、高強度、高靭性の3Dプリントアルミニウム合金材料AK09シリーズを開発しました。当社は、3D 印刷機器メーカーの北京Yijia 3Dとも緊密に連携し、複数の製品改良を経て、この新素材専用の金属 3D プリンターを共同開発しました。印刷された部品の性能指標は次のとおりです。

常温性能は、引張強度：500MPa、降伏強度：420MPa、伸び：17%に達します。
250℃での高温性能は、引張強度：290MPa、降伏強度：280MPa、伸び：18%に達します。
350℃の高温性能は、引張強度：200MPa、降伏強度：200MPa、伸び：11%に達します。

△常温、250℃高温、350℃引張試験レポート

星華実業社は初期段階の研究開発と試作をクリアし、材料性能も安定しており、現在は小ロット生産と出荷を開始しています。

10. 6K Additive が 3D プリント用の新しい耐火金属粉末を発売

6K Additive は、独自の UniMelt プラズマシステムを使用して、タングステン、レニウム、ニオブベースの合金などの高価値金属を含む新製品を生産しています。これらの材料は、通常、高温および高強度の部品に使用されるため、6K の新しい製品ラインは主に防衛、航空宇宙、医療分野を対象としています。

6K のマイクロ波プラズマ粉末製造プロセスでは、機械加工されたフライスカッター、旋削工具、その他のリサイクル廃棄物を工業グレードの 3D プリント粉末に変えることができます。このプロセスに基づいて、同社の UniMelt システムは、Onyx In718、Onyx Ti64、フェロアロイ、コバルトベース合金、ニッケル超合金、耐火金属、さらには高温セラミックスなど、幅広い材料の製造に使用されています。さらに、このシステムには、高精度のプラズマ領域と汚染ゼロという利点があります。
「当社は現在、タンタル、ニオブ、モリブデンを含む耐火性粉末の全範囲を球状化できるようになり、組織がこれらの材料の応用を進めるのを支援する準備ができています」と、6K Additive の社長であるフランク・ロバーツは述べています。

タングステンレニウム粉末材料は、主に 3D プリントされた固体ロケットエンジンノズルの非破壊コアインサートに使用されます。この用途では、主に材料の高温特性と高強度特性が利用されます。さらに、同社は、6K 球状化タングステンレニウム粉末が自社の SLM 3D プリンターで特に良好に処理できることを発見しました。

要約する

金属3Dプリント材料の進歩は、3Dプリントの実用性を拡大する上で大きな役割を果たしています。結局のところ、端末アプリケーションに対する原材料の重要性は自明です。現実に戻ると、一方では、今日の金属 3D プリントは、航空宇宙などの主要コンポーネントアプリケーションにおける従来の鍛造品を完全に置き換えることはできません。他方では、一般の人々にとって、容易に利用できる金属 3D プリントは依然として非現実的です。

将来を見据えると、金属 3D プリント技術があらゆる分野に浸透するにはまだ長い道のりがありますが、科学技術の発展と技術革新により、困難を克服するためにたゆまぬ努力が必要です。多分野、グローバル化、生活志向の金属 3D プリントをより良く実現することは、もはや達成不可能な夢ではありません。私たちは、この美しさが早く実現するように、ますます革新的な金属 3D プリント材料と関連技術の継続的な進歩を期待しています。