はじめに
3Dプリンティングとしても知られる積層造形（AM）は、デジタルモデルから軽量で耐久性のある部品を直接作成できる、工業生産への革新的なアプローチである。AM技術を実現する主な要因の1つは、優れた機械的特性を持つ複雑な3次元部品に加工できる高度な材料の開発である。 AM材料 は、3Dプリンティング法を用いて高品質の部品を製造するために不可欠です。この記事では、主な特性、カテゴリー、金属、ポリマー、セラミック、複合材料など、AM材料について詳しくご紹介します。
AM材料の概要
AM材料とは、3Dプリントプロセスの原料として使用される金属、ポリマー、セラミック、複合材料などの原材料を指す。AM材料の特性は、プリント部品の機械的性能、精度、表面仕上げ、その他の特性に大きな影響を与えます。AM用の材料は、特定の特性を有していなければならない：
- フィラメント、パウダー、樹脂など、さまざまな3Dプリンティング技術で必要とされる形状に成形する能力
- レイヤー・バイ・レイヤーのビルド・プロセスにおいて、流動、融合、接着が可能。
- 欠陥のない複雑な3次元物体を形成するのに十分な構造的完全性と強度
- 完成部品に要求される材料特性を提供するための冶金的、化学的、微細構造的特性
最も一般的に使用されるAM材料のカテゴリーには、金属、ポリマー、セラミック、複合材料がある。それぞれの材料は、積層造形のさまざまな用途に適した明確な特性を持っています。
AMの主要材料特性
材料には、AMプロセスにおける適合性と性能を決定するいくつかの重要な特性がある：
印刷適性
印刷可能性とは、3D印刷機によって正確で堅牢な物体に加工される材料の能力を指す。材料がうまくプリントされるためには、適切なメルトフロー、粒子形態、広がり挙動などの特性が必要です。
強さ
AM材料は、力に耐え、完成部品にひびが入ったり変形したりすることなく形状を保持するために、高い強度を持つ必要がある。強度は重量を支える部品において重要である。
タフネス
靭性とは、早期に破壊することなく機械的または熱的応力を吸収する能力のことである。AM材料は、耐久性のある部品を製造するために優れた靭性を必要とします。
熱特性
適切な溶融温度、凝固速度論、および熱伝導率により、印刷中にAM材料を正確に層ごとに溶融、堆積、凝固させることができる。
レオロジー特性
溶融または蒸着されたAM材料の流動性と粘性挙動は、プリント部品の精度と表面仕上げに影響を与えます。理想的なレオロジー特性は、スムーズな流動と結合を促進します。
密度
AM材料は、機能性、表面品質、構造的完全性を印刷部品に提供するため、完成部品において高い密度を示す必要がある。密度が低いと、機械的性能が損なわれる可能性がある。
AM材料のカテゴリー
アディティブ・マニュファクチャリングで使用される材料には、大きく分けて4つのカテゴリーがある：
AM用金属
金属は一般的に、粉末床溶融法および指向性エネルギー堆積法によるAMプロセスで加工される。一般的な金属は以下の通りです：
- ステンレス鋼は、優れた強度、耐食性、および生体適合性により、航空宇宙、自動車、医療、その他多くの分野の製造部品に最適です。316L、17-4PH、15-5PHを含む様々な合金グレードが使用されています。
- アルミニウム – 軽量、熱特性、強度で知られる。航空宇宙部品、自動車部品、熱交換器、消費財などに使用される。合金6061は非常に人気があります。
- チタン – 極めて強いが軽量な金属で、航空宇宙用途で重宝されている。グレードにはTi6Al4VとTi64がある。医療用インプラントに生体適合性を提供。
- ニッケル合金 – インコネル 625 や 718 のような、ニッケルをベースとした耐熱・耐食性超合金。工具、タービンブレード、過酷な環境での部品に使用される。
- コバルトクロム – 整形外科および歯科インプラント用の高強度、高硬度、生体適合性を提供するコバルトとクロムの合金。
- 貴金属 – 主に宝飾品、電子機器、装飾部品に使用される金、銀、白金族金属および合金。
AM用ポリマー
熱可塑性ポリマーと光硬化性ポリマーは、材料押出、槽内光重合、粉末床溶融AM法を用いて加工される。一般的なAMポリマー
- ABS（アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン） – 強力かつ軽量で、試作品や、筐体や自動車部品などの最終用途部品に使用される。
- PLA (ポリ乳酸) – トウモロコシのデンプンから作られる。持続可能な包装、食品容器、消費財に使用される。剛性が高い。
- ナイロン – エンジニアリンググレードのナイロンは、優れた強度、靭性、耐熱性を発揮します。最終用途の部品や機能的なプロトタイプに使用されます。
- フォトポリマー – 紫外線で硬化する光硬化性樹脂。ステレオリソグラフィーやインクジェット3Dプリンティングで使用される。高い精度と表面品質を提供する。例えば、エポキシ樹脂やアクリル樹脂がある。
AM用セラミックス
セラミックとガラスは耐熱性が高い。製造方法には、バインダーの噴射、材料の押し出し、ステレオリソグラフィなどがある。AM用セラミック材料には以下のものがある：
- アルミナ (Al2O3) – 航空宇宙部品および絶縁部品に使用される高強度セラミック。耐食性と熱安定性を提供。
- ジルコニア (ZrO2) – 極めて硬いため、工具、切削インサート、耐摩耗部品に適しています。歯科修復物に使用される。
- 炭化ケイ素 (SiC) – 高い剛性と耐熱性が必要な場合に使用される、硬くて軽いセラミック。ミラーや半導体部品の製造に使用される。
AM用複合材料
複合AM材料は、ポリマー、セラミックス、金属などの2つ以上の構成材料を組み込んだものである。これにより、強度、硬度、導電性などの特性を調整することができる。例えば、以下のようなものがある：
- 炭素繊維強化ポリマー – 高い強度対重量比。航空宇宙や自動車用の軽量構造物や部品の製造に使用される。
- 金属基複合材料 – 炭化ケイ素のようなセラミックスの微粒子を、DED AM を使用してアルミニウム合金と結合させ、特性を向上させる。ミサイル部品、航空機部品などの製造に使用される。
- フォトポリマー樹脂コンポジット – フォトポリマーとセラミック粒子の混合物で、強靭性と剛性を兼ね備えている。歯科修復物の3Dプリントに使用される。
積層造形用金属
AMで使用される材料の大部分は金属である。3Dプリンティングで最も人気のある金属は、ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、コバルトクロムなどである。
ステンレス鋼
ステンレス鋼は、今日AMで最も広く使用されている金属の一つである。ステンレス鋼は、高強度、優れた延性と破壊靭性、耐食性と耐摩耗性、生体適合性という優れた組み合わせを提供する。AMには、316L、304L、17-4PH、15-5PH、マルエージング鋼、二相鋼など、さまざまな鋼種が使用されている。ステンレス鋼から印刷される部品には、宇宙船やロケットの部品、インペラ、バルブ、手術器具、自動車部品などがある。
アルミニウム
AlSi10Mgのようなアルミニウム合金は、低密度、優れた熱伝導性、優れた強度といった特性を持ち、AMにとって魅力的な材料である。主な用途には、航空宇宙分野の複雑な機体、エンジン、ドローン部品、ホイール、フレーム、シリンダーなどの自動車部品、モータースポーツ用のカスタマイズされた軽量構造、熱交換器、消費財などがある。従来の製造と比較した場合の利点としては、トポロジーの最適化、部品の統合、耐破壊性などが挙げられる。
チタン
チタン合金は、高い強度重量比、耐破壊性、疲労寿命、耐腐食性などの特性により、航空宇宙用途で評価されています。AMチタン使用の75％以上は航空宇宙用です。最も人気のある合金はTi6Al4Vで、Ti64がそれに続きます。チタンAM部品には、構造用機体部品、タービンブレード、宇宙船部品、生体組織とうまく統合する軽量骨インプラントが含まれる。課題としては、高い材料費とAMチタン加工の難しさがあります。
ニッケル超合金
ニッケル基超合金は、高温での機械的特性の保持、耐食性、耐クリープ性などの強みを生かし、過酷な環境で広く使用されている。一般的な合金には、インコネル718、インコネル625、インコネル939などがあり、DED法やパウダーベッド法で印刷される。AMは、タービンブレード、工具、ロケットモーター部品、原子力、化学処理、エネルギー産業の部品の製造に使用されている。
コバルトクロム合金
CoCrMoのようなコバルトクロム合金は、高硬度、高強度、優れた生体適合性を有する。これらは、クラウンやブリッジのような歯科補綴物や、膝、股関節、肩の整形外科用インプラントの印刷に最も広く使用されている金属です。AMは、骨のような機械的特性と組織との多孔性統合を持つインプラントにおいて、カスタマイズされたデザインと格子構造を可能にする。課題は、滑らかな表面仕上げを達成することである。
積層造形用ポリマー
ポリマーは一般的に、材料押出、粉末床溶融、バット光重合法を用いて加工される。ABSやPLAのような熱可塑性プラスチックは、コンセプトモデル、機能的プロトタイプ、最終用途の部品など、業界を問わず広く使用されています。フォトポリマーは、滑らかな仕上げと微細な特徴を可能にします。
ABS – アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン
ABSは、高い耐衝撃性、強靭性、比較的高い耐熱性などの特性を備えており、複雑な形状の3Dプリントに適しています。ABSは、ビジュアルコンセプトモデル、消費財のプロトタイピング、自動車部品、筐体、航空宇宙、ヘルスケア、産業分野にわたるスナップフィットアセンブリで使用されている。金属に比べて最高使用温度が低く、紫外線耐性に限界がある。
PLA – ポリ乳酸
PLAは、再生可能なトウモロコシのデンプンやサトウキビから得られる生分解性の熱可塑性プラスチックである。食品容器、ティーバッグ、水筒のような様々な製品の3Dプリントや、体内で安全に分解できる医療用インプラントや足場として広く使用されている。利点としては、高い剛性、低毒性、比較的低い印刷温度が挙げられる。制限事項としては、耐熱性と衝撃強度が低いことが挙げられる。
ナイロン
ナイロンは、優れた引張強度、表面仕上げ、耐薬品性、耐摩耗性、柔軟性を備えています。そのため、自動車、消費財、工業用途の機能試作品や、ギア、工具、耐荷重部品、食品容器などの最終用途部品に有用です。ナイロンパウダーは、選択的レーザー焼結やマルチジェット溶融技術で加工できます。低摩擦表面は、低摩耗摺動接触用途を可能にします。
フォトポリマー
UV硬化型フォトポリマー樹脂は、ステレオリソグラフィーやデジタル光加工などのAMプロセスにおいて、驚くほど高い精度と表面仕上げを可能にします。フォトポリマーは、紫外線を照射すると急速に固化する。レンズ、医療モデル、宝飾品、インプラント、航空宇宙用の高精度鋳造品、その他品質が重要な部品の製造に使用されるエポキシ樹脂、アクリル樹脂、アクリレート樹脂などの材料があります。工業グレードの熱可塑性プラスチックに比べ、強度が低いなどの制限がある。
積層造形用セラミックス
セラミックスは、高温での高い強度と硬度、優れた電気絶縁性、低熱膨張特性を有している。このため、タービン・エンジンの高温部部品、熱保護システム、その他耐火物が必要な用途に有用である。AMは、従来の方法では実現できなかった複雑なセラミック形状を可能にする。
アルミナ
アルミナまたは酸化アルミニウムAl2O3は、非常に高い硬度、耐摩耗性、耐食性、温度安定性を提供します。AMは、航空宇宙および宇宙航空用途の高性能アルミナ部品の製造に使用されている。部品にはロケットノズル、放射線シールド、断熱部品などがあり、AMによって可能になる設計の自由度を活用している。限界としては、破壊靭性や引張強度が低いため、完成部品に予期せぬ不具合が生じる可能性があることなどが挙げられる。
ジルコニア
ジルコニアZrO2の極めて高い硬度、耐摩耗性、低い熱伝導性は、切削工具、ドリル、押し出しダイ、その他摩耗の激しい部品のAM製造に有用である。歯科分野では、天然歯の外観を模倣したクラウンやブリッジのような、丈夫で審美的な歯科修復物の印刷に使用される。微細な粒度分布は、完成したジルコニア部品の高い密度と性能にとって非常に重要です。
炭化ケイ素
炭化ケイ素SiCは非常に高い硬度と強度を持ち、特に金属の能力を超える高温での強度がある。AMは、温度変化が激しい宇宙望遠鏡用のSiCミラー、光学部品、構造物の製造に理想的に適している。地上では、SiCは半導体製造装置、核燃料ペレット、タービンエンジン部品のAMに使用されている。SiC部品は、鏡のように滑らかな表面を実現するために、二次仕上げを必要とすることが多い。
金属AMプロセス
金属の印刷に最も広く使われている方法には、粉末床溶融法と指向性エネルギー蒸着法がある：
パウダーベッド・フュージョン
これには選択的レーザー焼結（SLS）と電子ビーム溶解（EBM）が含まれる。SLSはレーザーを使用し、EBMは電子ビームを使用して、部品形状の断面に基づいて金属粉末粒子を層ごとに選択的に融合させます。各層の後、次の層のためにさらに粉末が散布され、圧縮される。ステンレス鋼とチタンが一般的に加工され、高い精度と微細構造が得られます。限界としては、造形速度が遅いことが挙げられる。
直接エネルギー蒸着
DEDは、レーザーまたは電子ビームを集光して、原料の金属ワイヤー、粉末、吹き付け粉末を特定の位置で溶融し、材料を積層して希望の形状を製造する。DEDは、既存の部品の修理や機能追加によく使用される。利点としては、造形速度が速く、金属組成を混合できることが挙げられる。しかし、精度と表面仕上げは粉末床溶融よりも劣る。
ポリマーAMプロセス
熱可塑性プラスチックは、一般的に材料押出成形や粉末床溶融法で加工される。光重合は、光硬化性樹脂を高精度のポリマー部品に加工するために使用されます。
材料押出
材料押出は、熱可塑性フィラメントを加熱し、ノズルから層ごとに押し出してパーツを作製します。Stratasysの溶融積層造形（FDM）と溶融フィラメントファブリケーション（FFF）は、ABS、PLA、ナイロン、PCパーツの3Dプリントに広く使用されている材料押出技術です。利点は、機械コストと材料コストが低いことです。欠点としては、精度の低さ、層間結合の弱さ、表面のレイヤーラインの目立ちやすさなどが挙げられます。
パウダーベッド・フュージョン
直接レーザー焼結（DLS）は、薄いベッドに敷き詰められたポリマー粉末粒子をレーザーで選択的に融解させる。各層の後、粉末の新しい層が堆積され、焼結される。DLSは、射出成形に近い機械的特性を持つナイロンのような生産熱可塑性材料で、非常に複雑な形状を作ることができます。マルチジェット・フュージョン（MJF）はHP社の粉末ベースのプロセスで、溶融剤と細部処理剤を使用し、優れた等方性と精度を実現します。
光重合
ステレオリソグラフィー（SLA）は、感光性樹脂を選択的に硬化させるために紫外線を使用して、液体樹脂を固体の3Dオブジェクトに変換します。デジタル・ライト・プロセッシング（DLP）も光硬化性樹脂のバットを使用しますが、ライト・プロジェクター・システムを使用して各層を硬化させます。これらのプロセスは、製造パターン、インベストメント鋳造品、医療モデル、宝飾品パターンなどにおいて、驚くほど滑らかな表面と微細なディテールのキャプチャを可能にします。
セラミックAMプロセス
セラミックやセラミックとポリマーの複合材料を、複雑だが堅牢な3Dプリント部品に加工するには、バインダージェットと材料押出法がよく使われている。
バインダー・ジェット
このパウダーベッド・プロセスでは、印刷中にセラミック粉末粒子を結合させるために、液体結合剤が選択的に堆積される。印刷が完了すると、グリーンパーツを焼結して結合剤を燃焼させ、パーツを緻密化します。アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、ガラス粉末は、バインダージェットを使用して印刷されています。バインダージェットを使用することで、部品に高いセラミック含有率を持たせることができる。固体セラミックと比較して達成可能な密度が低いなどの制限があります。
材料押出
ロボキャストまたはダイレクト・インク・ライティングとも呼ばれるこの方法は、セラミック・スラリーをノズルから押し出して印刷し、層状に構造を形成するものです。組成物は通常、セラミック粉末、モノマー、分散剤、開始剤を組み合わせたものです。印刷後、部品は硬化され、その後焼結される。セラミック含有率50％の炭化ケイ素とアルミナの複合材料は、この方法で印刷することができる。しかし、乾燥や焼結の際の収縮によって、形状が歪む可能性がある。
複合AM材料
積層造形では、ポリマー、金属、セラミックなどの異なるベース材料を組み合わせて、特性を調整した複合材料を作ることができる。
金属マトリックス複合材料
金属粉末は、DED処理中に炭化ケイ素やアルミナのような硬質強化材とブレンドすることで、非強化金属に比べて優れた硬度、強度、耐摩耗性を達成することができます。ニッケルやチタンのマトリックス複合材料は、タービンやロケットエンジンのホットセクション部品の剛性と熱安定性を高めるために、SiC粒子やナノチューブで補強されています。
炭素繊維複合材料
チョップドカーボンファイバーや連続カーボンファイバーは、SLA 3Dプリンティングではフォトポリマーを、FDM/FFFFでは熱可塑性プラスチックを強化することができます。これにより、ドローンのフレームや航空機の内装部品などの部品の剛性、静的強度、耐熱性、寸法安定性が向上し、軽量化も実現します。AMでは、優れた繊維配向制御が可能です。
光硬化性樹脂複合材料
SLAポリマーをセラミック粒子やナノチューブと組み合わせることで、寸法精度や表面仕上げの利点を維持しながら、弾性率、熱たわみ温度、硬度、熱伝導性などの樹脂特性を用途要件に基づいて変更することができます。これにより、機械的特性と審美性が向上した3Dプリント歯科用ブリッジやクラウンが可能になります。
AM材料の利点
AM材料は、従来の製造では達成できなかった性能上の利点や設計の可能性を解き放つ：
- 複雑さ - 他の方法では製造不可能な複雑な中空構造やセル構造を、CADモデルから直接製造することができます。これにより、軽量で最適化された設計が可能になります。
- カスタマイズ - 個人の解剖学的構造に完璧に適合する、患者にマッチしたインプラント、インソール、人工装具を、医療用スキャンデータから3Dプリントすることで、より良い快適性と機能回復を実現できます。
- 議会の統合 - 連結部品を印刷することで部品点数を削減し、信頼性を向上させ、在庫を削減し、より迅速な生産を可能にする。
- ハイパフォーマンス - エピタキシャル凝固による金属の方向強化や、配向した微細構造を持つ複合材料は、優れた機械的特性をもたらす。
- 持続可能性 - アディティブは、廃棄物を最小限に抑えたオンデマンド生産を可能にする。再生可能な資源から作られたバイオポリマーのような一部のAM材料も、持続可能性を支えている。
AM材料の課題
AM材料には多くの利点があるが、より広く普及するためには解決しなければならない課題もある：
- 規格 ほとんどのAM材料には業界全体の仕様や標準がないため、一貫性を保つことが難しい。材料の品質は、サプライヤーやプリンター技術によって異なる場合があります。
- 認証 特に、ミッション・クリティカルな防衛、航空宇宙、医療用途に使用される金属合金では、AMが最終用途の生産部品として認められる前に、厳格な認証と文書化が必要である。
- 欠陥 いくつかのAMプロセスは、機械的性能を損なう完成部品の気孔、マイクロクラック、剥離の欠陥に悩まされている。材料特性、品質管理、プロセス・パラメーターのさらなる改善が必要です。
- 表面仕上げ – AMによる階段状の段差やレイヤーラインは、表面を手作業で大がかりに研磨する必要があります。材料によっては、結晶粒構造の粗さに悩まされるものもあります。表面仕上げ不良の原因と解決策をよりよく理解する必要があります。
- コスト AM 材料のコストは、独自の配合、限られたサプライヤー、および生産量の少なさにより、しばしば高くなります。AM材料の生産を拡大することで、従来の材料とのコスト競争力を向上させることができる。
- 異方性 配向性の強い、あるいは層状のAM微細構造では、造形に平行な方向と垂直な方向で強度が高くなるなど、特性に方向性のばらつきが生じることがある。材料接合と成膜技術の向上は、異方性の克服に役立ちます。
AM材料の未来
付加製造の継続的拡大には、AM材料の革新が不可欠である。将来が期待される主な分野をいくつか紹介しよう：
- マルチマテリアル - 異なる金属、セラミックス、ポリマーを組み合わせた単一部品は、真の多機能性を可能にする。これはマルチノズル3Dプリンティングを使って研究されている。
- スマート素材 - 4Dプリンティングは、形状記憶合金、ハイドロゲル、液晶エラストマーを組み込み、熱、湿気、光、磁場などの刺激にさらされると、形状／色／透明度を再構成する物体を作る。
- 生体適合性 新しい組織工学材料と幹細胞キャリアが、統合と再生を改善するための医療治療におけるAMの採用を促進するだろう。
- 持続可能な 石油系ポリマーの代替として、豊富で再生可能な資源に由来する、環境に優しく無害なAM材料を開発する必要がある。
- ナノコンポジット ナノチューブ／ナノ粒子で強化されたポリマーおよび金属マトリックスは、機械的、熱的、電気的特性を大幅に向上させ、新たな高性能アプリケーションを開拓する。
- デザインツール - AMプロセスの物理学ベースのマルチスケールコンピュータモデリングは、新材料の認定と最適化のための微細構造と特性のより良い予測につながる。
結論
要約すると、AM材料は、業界全体にわたって機能的な3Dプリント部品を実現するために不可欠なものです。金属、ポリマー、セラミック、複合材料はそれぞれ、積層造形プロセスを使用して高性能で複雑な部品を製造するための明確な機能を提供します。課題はありますが、AM材料の革新は、3Dプリント技術の設計の可能性と利点を拡大し続けるでしょう。
