3D プリント (積層造形) で使用される金属クロム粉末の主な特性は何ですか?

出典：バイエルンテスト

3D プリンティング (付加製造) は、現代のインダストリー 4.0 の象徴的なテクノロジーの 1 つとして高く評価されています。北京新材料科技有限公司は、積層造形技術の開発に注力するハイテク企業です。積層造形は新興技術であるため、関連する国内外の参照規格、特に原材料要件は限られており、入手可能な関連情報もあまりありません。もちろん、我が国の積層造形産業の発展を促進するために、国は2018年以来、積層造形に関するいくつかの国家規格を順次発行していますが、関連する製品規格はまだ改善の過程にあります。
1. 需要背景 クロム部品は、高硬度、耐摩耗性、耐高温性などの特性があるため、冶金、航空、軍事産業、自動車などの分野で広く使用されています。 3D プリントされたクロム部品は高度にカスタマイズ可能で、従来の製造プロセスでは実現が難しい曲面、穴、スロットなどの機能を備えています。積層造形技術では、金属粉末が重要な原料であり、特に高い球形度、狭い粒度分布、低い酸素含有量、良好な流動性が求められます。

しかし、国内外に積層造形用金属クロム粉末に関する国際規格、国家規格、業界規格が存在せず、対応する統一された標準要求や検査・検収規格も存在せず、その結果、各メーカーの粉末製造プロセスに一貫性がなく、製品パラメータが同一基準に基づかず、製品の製造・評価に不便をもたらし、金属クロム積層造形技術の発展と産業化を妨げています。

2. 研究開発技術の紹介<br /> 新素材会社が開発した積層造形用金属クロム粉末の主な製造方法は、プラズマ球状化法です。この方法は、誘導コイルによって発生した電磁エネルギーを利用して、その中に流入するガス（通常はアルゴン）をイオン化します。電磁誘導によってプラズマを発生させるため、きれいな球状の粉末粒子を製造できます。さらに、生成されたプラズマは高温（最大10000K）、高エンタルピー、高エネルギー密度という特徴があり、物理化学反応のための高温反応環境を提供でき、この特徴を利用して球状粉末製造の分野でより大きな役割を果たすことができます。

球状粉末を製造するためのプラズマ球状化技術は、高温特性を利用して、対流、伝導、放射、化学の4つの熱伝達メカニズムを通じて、表面張力と急速冷却の複合作用により、投入された粒子を急速に収縮させます。形成された粉末粒子の流動性が大幅に向上し、優れた分散性と高い球形度という特徴を備えているため、付加製造分野での球状クロム粉末の応用を効果的に促進できます。

3. 基準に基づいた分析<br /> 直接的に頼れる国家基準が存在しないからです。金属クロム、金属粉末、積層造形に関する標準要件を参照することしかできません。さまざまな情報を統合した後、金属クロム粉末をテストするには、次の標準を参照することをお勧めします。

GB/T 3211-2008「クロム金属」
GB/T 35022-2018「積層造形部品および粉末原料の主な特性と試験方法」
GB/T 1480-2012「乾式ふるい分け法による金属粉末の粒度の測定」
GB/T 19077-2016 レーザー回折法による粒度分布
GB/T 1479.1-2011「金属粉末の嵩密度の測定パート1：漏斗法」
GB/T 5162-2006「金属粉末のタップ密度の測定」
GB/T 1482-2010「金属粉末の流動性を測定するための標準漏斗法（ホール流量計）」
GB/T 4702.6-2016「金属クロム、鉄、アルミニウム、シリコン、銅含有量の測定 - 誘導結合プラズマ原子発光分析法」

4. テスト項目の確認<br /> GB/T 35022-2018「積層造形部品および粉末原料の主な特性と試験方法」を参照してください。積層造形用のテスト可能な主な金属粉末原料には、粉末の粒子サイズと分布、形状または形態、比表面積、ゆるい密度または見かけの密度、タップ密度、流動性、灰分含有量、水素、酸素、窒素、炭素および硫黄含有量、融点およびガラス転移温度などが含まれます。同社の技術スタッフと十分にコミュニケーションをとった後、最終的にクロム粉末の化学組成、粒子サイズ、ゆるい密度、タップ密度、流動性という 5 つの主要項目をテストすることにしました。

1. 化学組成金属クロムの各元素の化学組成要件は、GB/T 3211-2008 に従って実施できます。もちろん、一部のメーカーは、積層造形で使用される金属クロム粉末で作られた後続の成形部品の総合的な性能が設計要件を満たすことを保証するために、独自の製品化学組成要件を策定することもあります。具体的な手順は、テスト当事者の要件に従って実施されます。化学組成分析の検出方法は、GB/T 4702.6-2016「金属クロム、鉄、アルミニウム、シリコン、銅含有量の測定 - 誘導結合プラズマ原子発光分析法」に従って実行できます。

2. 粒度分析今回試験した積層造形用の金属クロム粉末は、主にプラズマ球状化法で製造され、一般的には標準ふるい分けによって粒度分類されます。積層造形プロセスにおける粉末粒子サイズ分布の要件は異なります。同社は粉末を3つのカテゴリーに分類しています。カテゴリーIは選択的レーザー溶融付加製造プロセスに適しており、粒子サイズの範囲は15〜53μmです。カテゴリーIIは電子ビーム溶融付加製造プロセスに適しており、粒子サイズの範囲は45〜150μmです。カテゴリーIIIはレーザーエネルギー堆積付加製造プロセスに適しており、粒子サイズの範囲は30〜4250μmです。粒度試験は、GB/T1480「金属粉末の乾式ふるい分けによる粒度の測定」およびGB/T19077「粒度分布のレーザー回折法」の規定に従って実施されます。

3. ゆるみ密度試験粉体のゆるみ密度とは、粉体が規定の条件で標準容器に自由に充填された後に測定される嵩密度、すなわち粉体がゆるく充填されたときの単位体積あたりの質量であり、粉体の工程性能である。嵩密度は粉体のさまざまな特性を総合的に反映するものであり、粉体の密度、粒子形状、粒子表面状態、粒子サイズ、粒子サイズ分布などを反映することができ、製品生産プロセスの安定性と製品品質の制御に重要な影響を及ぼします。一般的に、粉末粒子の形状が規則的であればあるほど、粒子表面が滑らかになり、粒子の密度が高くなるにつれて、粉末のゆるい密度は大きくなります。粉末の嵩密度が高いほど、積層造形プロセスの設定と最適化に役立ち、最終的な積層造形製品の密度が目標製品要件を満たすことが保証されます。嵩密度は4.0g/m3以上である必要があります。試験はGB/T1479.1「金属粉末の嵩密度の測定パート1：漏斗法」の規定に従って実施できます。

4. タップ密度試験タップ密度は、粉末が容器内で機械的に振動して比較的理想的な配置状態に達した後の粉末の集合密度です。ゆるい密度と比較して、主に粉末の粒子サイズとその分布、粒子の形状とその表面粗さ、比表面積など、粉末のさまざまな物理的およびプロセス特性を総合的に反映しています。一般的に、タップ密度が大きいほど、粉末の流動特性は良くなります。タップ密度は5.0g/cm3以上である必要があり、GB/T5162「金属粉末のタップ密度の測定」の規定に従って試験を実施できます。

5. 流動性試験粉体の流動性とは、一定量の粉体が指定された口径の標準漏斗を通過するのに必要な時間を指します。通常使用される単位はs/50gです。値が小さいほど、粉体の流動性が良好です。これは粉体のプロセス性能です。粉体の流動特性は、粉体の粒子サイズ、形状、粗さ、比表面積など、多くの要因に関係しています。一般的に、粒子間の摩擦係数が増加すると、粉末の流れが困難になります。一般的に、球状の粒子を持つ粉末は流動性が最も優れており、粒子の形状が不規則で粒子サイズが小さく表面が粗い粉末は流動性が低くなります。また、粉体の流動性は粒子同士の付着によっても影響を受け、粒子表面に水分やガスなどが吸着すると粉体の流動性が低下します。粉末の流動性は、粉末冶金成形および積層造形部品の性能に大きな影響を与えます。製品の流動性は20秒/50gを超えてはならず、GB/T1482「金属粉末の流動性を測定するための標準漏斗法（ホールレオメーター）」の規定に従って試験を実施することができます。
5. 計画に対するフィードバック<br /> 積層造形においては、原材料の特性が最終部品の完成特性に大きく影響する可能性があります。積層造形用の金属クロム粉末の研究、開発、応用は、業界の発展と促進において重要な役割を果たします。我が国ではまだ関連規格や規制は制定されていないものの、市場の需要はすでに一定規模に達しており、この新素材技術会社の製品のような製品は実際に大規模生産の段階に達しています。したがって、関連する指標、サンプリング、準備、およびテスト方法を標準化するために、専門的なソリューションを提供するためにテスト機関に委託することに加えて、ガイダンスと規制を提供するための権威ある国家標準が依然として緊急に必要とされています。上記の 5 つの主要なパフォーマンステスト方法と標準ベースは、参考用です。

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