はじめに
3Dプリンティング技術は、業界全体の製造プロセスに革命をもたらし、複雑で軽量な部品の迅速なプロトタイピングと製造を可能にしました。金属3Dプリンティングで最も広く使用されている材料の1つはアルミニウムです。その理由は、高い強度対重量比、耐腐食性、優れた熱伝導性と電気伝導性、後処理の容易さです。
様々なアルミニウム合金の中で、 7050アルミニウム合金粉 は、高い強度と適度な靭性を必要とする3Dプリンティング用途で人気を集めている。7050アルミニウムは、主な合金元素として亜鉛、マグネシウム、銅を含み、いくつかの鋼に匹敵する強度を提供します。この記事では、7050アルミニウム合金粉末の概要と、3Dプリントにおけるその用途について説明します。
7050アルミニウム合金粉末の概要
7050アルミニウム合金粉末は当初、高強度航空機構造用として1950年代に開発されました。これはアルミニウム合金の7xxxシリーズの一部で、すべてのアルミニウム合金の中で最高の強度を持つことで知られています。
7050アルミニウム合金粉末の典型的な組成は以下の通りである：
- 亜鉛：6.2
- マグネシウム：2.3
- 銅：2.2
- 鉄：0.15
- シリコン 0.12%
- マンガン：0.10
- クロム：0.05
- ジルコニウム：0.25
主な合金元素である亜鉛とマグネシウムは析出硬化によって強度を高め、銅は耐食性を向上させる。ジルコニウムは粒組織制御のために添加される。
7050アルミニウム合金粉末の主な特性は以下の通りである：
- 高強度 – T651 テンパーの降伏強度は 500 MPa、引張強度は 570 MPa。
- 良好な破壊靭性 – T7351 焼き戻しで約 33 MPa√m.
- 優れた疲労強度 – T7351 テンパーの 107 サイクルで約 310 MPa の疲労強度。
- 良好な耐食性 – 銅合金のため。
- 中密度 – 2.83g/cm3前後。
- 優れた切削性と熱処理中の寸法安定性。
高強度、優れた靭性、適度な密度を併せ持つ7050は、軽量化を目的とした構造部品やコンポーネントにとって理想的な選択肢となる。
3Dプリント用7050アルミニウム合金の利点
7050アルミニウム合金は、3Dプリンティング用途に適したいくつかの利点を備えている：
高い強度重量比
比較的高い強度と中程度の密度が相まって、7050アルミニウムの優れた強度対重量比を実現しています。これにより、十分な機械的特性を備えた軽量の3Dプリント部品を設計することができます。
7050の高い強度は、高い応力、圧力、操作荷重に対応する部品の3Dプリントを可能にします。同時に、鋼やチタン合金に比べて密度が低いため、軽量化にもつながります。
良好な印刷適性
7050粉末粒子は、適切な微粒化技術により、球状または球状に近い形態に最適に成形することができます。これにより、3Dプリント中にパウダーがスムーズに流れ、パウダー層が均一に広がります。
アルミニウムの優れた熱伝導性は、印刷中の反りや残留応力などの問題も防ぎます。この結果、印刷された7050アルミニウム合金粉末部品の良好な印刷性と寸法精度が得られます。
熱処理性
7050アルミニウム合金粉末は、高強度などの所望の特性を得るために熱処理することができます。アニール状態で印刷し、印刷後に熱処理を行うことで、用途に応じて特性を調整することができます。
固溶化熱処理、焼入れ、時効処理は、T6 および T7 温 度で最適な強度を得るために使用できる。7050の時効サイクルの間に冷間加工を施すことで、降伏強度を550MPa以上に高めることもできる。
耐食性
銅を加えることで、多くの構造用途で7050アルミニウムに優れた耐食性をもたらします。これにより、場合によっては特殊なコーティングが不要になり、印刷や後処理が簡単になります。
溶接性
7050アルミニウム合金粉末は、他の多くの高強度7xxx合金よりも溶接性が優れています。これにより、3Dプリントされた7050部品同士、または従来の製造方法で作られた部品との溶接が可能になり、設計の柔軟性が高まります。
摩擦攪拌接合とガス・タングステン・アーク溶接は、母材特性を大きく損なうことなく7050アルミニウムの接合に使用できます。
費用対効果
7050アルミニウム合金粉末は、チタンのような他の高強度航空宇宙合金よりも手頃な価格です。このため7050は、重量と材料コストの削減を目指す多くの産業にとって経済的な選択肢となります。
アルミニウムはリサイクル性が高く、スクラップ粉を再利用できるため、費用対効果がさらに向上します。3Dプリントされたアルミニウム部品の購入対飛行比は、1:1まで低くすることができます。
3Dプリント7050アルミニウム部品の用途
7050アルミニウム合金粉末のユニークな特性は、以下の用途に適しています：
航空宇宙用途
航空宇宙産業は、アルミニウム合金を使用した金属3Dプリントの主要な採用企業の1つです。高い強度、破壊靭性、疲労強度を持つ7050アルミニウムは、以下のような空域部品のプリントに使用できます：
- 構造フレームとブラケット
- 航空機用シール、ダクト、ハウジング
- タービンブレード、熱交換器、パワートレイン部品
- モーターマウントやランディングギアなどのUAV/ドローン部品
3Dプリンティングは、最適化された設計と複雑な形状を持つ軽量航空宇宙部品の製造に役立ちます。GEとSafranは、ジェットエンジン部品の印刷に7050合金を使用し、従来の製造と比較して50%の軽量化を達成しています。
自動車部品
7050のようなアルミニウム合金は、自動車の重いスチール部品に取って代わり、軽量化に役立ちます。7050アルミニウムを使用した3Dプリント自動車部品の例には、以下のようなものがあります：
- シャシー、パワートレイン、サスペンション・コンポーネント（コントロールアームなど
- ホイールリム
- ブレーキキャリパーとディスク
- トランスミッションケーシングとハウジング
- 熱交換器とインタークーラー
3Dプリンティングは、複数の部品からなるアセンブリを1つの自動車用プリント部品に統合することを可能にする。フォードとブガッティは、3Dプリンターで製造したアルミ製自動車部品をレース用と市販車用にテストしている。
コンシューマー・エレクトロニクス
家電業界では、軽量で強度の高い筐体やフレーム、放熱部品などの製品に3Dプリントを活用している：
- ノートパソコン、携帯電話、タブレット端末、ウェアラブル端末
- デスクトップ3Dプリンタとコンピュータ・ハードウェア
- ゲーム機およびアクセサリー
- ハイエンドAV機器
アップルは、Mac Proラップトップの筐体に7050アルミニウム合金を使用し、選択的レーザー焼結3Dプリントによって強度と熱管理を最大限に高めています。
ロボット部品
ロボットの様々なアクチュエータ、パワートレイン部品、ジョイント、マウント、エンドエフェクタをアルミニウム合金から3Dプリントすることで、動的荷重下で軽量かつ高強度な性能を実現できます。7050アルミニウム合金粉末は、以下のロボット部品に適しています：
- 産業用ロボット
- 協働ロボット
- 外骨格
- UAVとドローン
- 宇宙ロボットとローバー
医療機器
7050アルミニウムを使用した3Dプリント手術器具、歯科用インプラント、補綴物、医療用工具は、生体適合性がありながら、耐荷重用途に必要な強度を提供します。
防衛装備品
空母、戦車、大砲のような軍用車両や装備を3Dプリントされた7050部品を使用して軽量化することで、機動性が向上します。アルミ装甲はまた、従来の鋼鉄装甲よりも重量を節約しながら保護を提供することができます。
7050アルミニウムを3Dプリントするためのプロセスパラメータ
アルミニウム合金に最も適した3Dプリントプロセスは、レーザーや電子ビームのような集束した熱源を利用して粉末粒子を選択的に溶融し、層ごとに融合させる粉末床融合法である。
7050アルミニウムに使用されるさまざまなパウダーベッド技術は以下の通りである：
- ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS）
- 選択的レーザー溶融（SLM）
- 電子ビーム溶解（EBM）
7050アルミニウムの典型的なプロセスパラメータの範囲は以下の通りである：
レーザーと光学
- レーザー出力: 100-500 W
- レーザー走査速度：100-1000 mm/s
- ハッチの間隔 0.1-0.2 mm
- 層厚：20～100μm
パウダーベッド
- 粉体粒子径：15～45μm
- パウダーベッドの温度SLM/DMLSは室温、EBMは600～850°C
不活性雰囲気
- SLM/DMLS用酸素含有量0.1%未満
- EBMのための真空
DMLS/SLMの場合、融点直下、すなわち約500℃まで予熱することで、残留応力を低減することができます。EBMでは、パウダーベッド温度が上昇するため、応力も最小限に抑えられます。
部品の向き、支持構造、スキャン戦略は、さらに残留応力と印刷品質に影響を与えます。SLMとEBMはどちらも、従来の製造に近い特性を持つ高密度7050アルミニウム部品の高速印刷を可能にします。
3Dプリントされた7050アルミニウム部品の後処理
印刷後、一般的には次のような後処理が行われる：
- ビルドプレートからの取り外し： バンドソー、切断、放電加工などの従来の方法。剥離層のような界面を使用することで、部品の剥離を容易にするために最小化。
- サポート解除： サポートはペンチ、カッター、または苛性浴で溶解して除去する。
- 熱処理： 望ましい機械的性質と材料の微細構造を達成する。7050の場合、溶体化処理、焼入れ、時効処理が含まれる。
- 表面仕上げ： サンドブラスト、研削、ライニング、研磨などの技術を使って表面の凹凸を除去すること。圧縮応力を発生させるためにショットピーニングを行うこともある。
- 品質検査： 寸法、公差、最終材料特性が指定された要件通りであることを確認する。座標計測、引張試験、非破壊評価などの試験方法を使用する。
- 部品認証： 航空部品の品質を検証し、航空宇宙産業の規制基準への準拠を保証します。従来のワークフローと比較してリードタイムを劇的に短縮します。
後処理作業を自動化することで、再現性が向上し、部品全体の生産時間が短縮される。印刷と後処理を単一の工作機械に統合することは、新たなトレンドです。
7050アルミニウム3Dプリントの利点と課題
7050アルミニウム部品を3Dプリントする主な利点には、次のようなものがあります：
- 軽量化 – スチール部品と比較して50%以上の軽量化、燃費の向上
- コスト効率 – チタン合金に比べてコストが低く、スクラップ・ロスが減少
- パート統合 複雑で最適化された形状を可能にし、アセンブリを単一部品に統合
- 迅速な製造 – リードタイムを大幅に短縮し、製品開発を加速
- 高強度 – 機械的特性は、従来製造のアルミニウムを上回る
- カスタマイズ – 顧客固有の設計特徴を持つ部品の容易化
- 持続可能性 – アルミニウム粉を再利用し、比較的環境に優しい
しかし、考慮すべき課題もある：
- 高い設備コスト – プリンター、粉体処理システムには大規模な投資が必要
- プロセスの最適化 – 高品質プリントのためには、複数のパラメータを調整する必要があります。
- 材料資格 – 機械的特性は最適化された印刷工程に依存する
- 後処理 複数のステップを含み、時間とコストがかかる。
- 部品サイズの制限 – プリンタの封筒寸法による制約
- 表面仕上げ 従来の機械加工やその他の仕上げが必要な場合がある。
全体として、軽量構造、部品の統合、設計の柔軟性といった利点は、ほとんどの用途において、上記で取り上げた課題を上回る。
7050アルミニウム合金粉末3Dプリンティングの将来展望
軽量、高強度アルミニウム合金の使用は、航空、自動車、軽量設計を目指すその他の産業における3Dプリンティングで飛躍的に成長すると予測される。
アルミニウム合金の中でも、7050は鋼に近い優れた強度特性と適度な密度を兼ね備えているため、今後も用途が拡大していくだろう。アルミニウム合金は、2025年までに生産される金属AM部品全体の25%以上を占めると予測されている。
7050アルミニウム3Dプリンティングの採用を拡大する主なトレンドは以下の通りである：
- プロセス改善 パラメータの最適化、統合された後処理、品質管理により、従来の製造業と同等の3Dプリンティングが可能になります。
- コスト削減 生産性の向上、サプライチェーンの改善、リサイクルはコストを下げる。
- 新しいアプリケーション – 医療、海洋、宇宙、防衛などの分野にわたる革新が、3Dプリントアルミニウム部品の需要を促進するでしょう。
- 拡張された能力 より大きな造形量、マルチマテリアル・プリンティング、迅速な認証は、アプリケーションを促進する。
- オートメーション統合 3Dプリンティングをデジタル製造エコシステムに組み込むことで、導入が進むだろう。
長期的には、7050アルミニウム合金粉末を使用した3Dプリンティングは、そのユニークな利点により、いくつかの産業分野で主流の生産技術となるだろう。
結論
7050アルミニウム合金は、高強度、破壊靭性、溶接性、耐食性の最適な組み合わせを提供し、航空、自動車、その他の要求の厳しい用途の構造部品や耐荷重部品に必要です。
7050アルミニウム粉末を使用した3Dプリンティングは、従来の技術では達成できなかった複雑な形状、軽量構造、迅速な製造を容易にします。軽量化、コスト削減、リードタイムの短縮、設計の柔軟性など、さまざまな産業において大きな可能性を提供します。
3Dプリンティング・プロセス、材料特性、品質基準、部品認証の継続的な改善により、7050アルミニウム合金は今後数年間で、デジタル製造において高く評価される材料となる準備が整っている。7050アルミニウム合金の用途は、輸送、防衛、消費財、産業分野にわたる軽量設計への意欲に後押しされて上昇を続けるだろう。
