チタン積層造形の概要
チタン積層造形チタンの3Dプリンティングとしても知られるこの技術は、3Dモデルデータから直接、層ごとにチタン部品を製造するために使用される様々な付加製造技術を指します。従来の方法では製造が不可能であったり、非常にコストがかかるような、形状自由度の高い複雑なチタン部品の製造を可能にします。
チタンは、その高い強度対重量比、耐食性、生体適合性、高温性能により、積層造形に理想的な材料です。しかし、化学反応性と異方的な材料特性のため、積層造形技術を用いてチタンを加工するには、いくつかのユニークな課題もあります。
チタンアディティブマニュファクチャリングに関するいくつかの重要な詳細：
- チタンの一般的な3Dプリンティング方法は、選択的レーザー溶解（SLM）、電子ビーム溶解（EBM）、直接金属レーザー焼結（DMLS）です。
- Ti-6Al-4Vのようなチタン合金が最も広く使用されているが、市販の純チタンや他の合金も印刷できる。
- 格子構造や薄肉形状のような軽量で複雑な部品の製造が可能。
- ネットシェイプに近い形状の部品ができるため、減法法に比べて無駄とコストを削減できる。
- 設計の柔軟性を提供し、アセンブリを1つのプリント部品に統合します。
- 熱間静水圧プレス（HIP）や機械加工などの後加工は、望ましい仕上げや材料特性を得るためにしばしば必要とされる。
- 鍛造、鋳造、鍛造チタンに匹敵するかそれ以上の特性を持つが、異方性が懸念される。
- 応用分野は、航空宇宙、医療用インプラント、自動車、化学プラントなど。
- 従来の製造よりコストは高いが、小ロットサイズや複雑な部品には経済的。
チタン積層造形プロセスの種類
| プロセス | 説明 | 特徴 |
|---|---|---|
| 選択的レーザー溶融（SLM） | レーザーを使用して金属粉末粒子を選択的に溶融し、層ごとに融合させる。 | 最も一般的で成熟した技術 <br> 優れた精度と表面仕上げ <br> 印刷部品の低空隙率 |
| 電子ビーム溶解（EBM） | 電子ビームを熱源として材料を溶かす | 比較的速い製造速度 <br> 部品はSLMに比べて気孔率が高い <br> 導電性材料のみ加工可能 |
| ダイレクトメタルレーザー焼結（DMLS） | レーザーで粉末粒子を焼結し、完成部品を作る | 高い精度と細部の解像度 <br> 浸透を必要とするやや多孔性の部分 |
| 指向性エネルギー蒸着（DED） | 熱エネルギーを集中させ、材料を溶融させながら成膜する。 | 主に、完全な部品ではなく、機能の追加や修理に使用される <br> 製造率は高いが精度は低い |
チタン積層造形の用途
| 産業 | 用途と例 |
|---|---|
| 航空宇宙 | 油圧マニホールド、バルブ、ハウジング、ブラケットなどの航空機およびエンジン部品 |
| メディカル | 歯科・整形外科用インプラント、手術器具 |
| 自動車 | マニホールド、ターボチャージャー・ホイールなどの軽量部品 |
| ケミカル | パイプ、バルブ、ポンプなどの耐食性流体処理部品 |
| ディフェンス | 車両・兵器用軽量耐荷重部品 |
| 一般工学 | 業種を超えた少量カスタム部品 |
チタン積層造形の仕様
| パラメータ | 代表値 |
|---|---|
| レイヤーの厚さ | 20 – 100 μm |
| 最小フィーチャーサイズ | ~100 μm |
| 表面粗さ、Ra | 10 – 25 μm、オーバーハングではより高い |
| ビルド・ボリューム | 50 x 50 x 50 mm ～ 500 x 500 x 500 mm |
| 精密 | 寸法に対して±0.1%～±0.2 |
| 多孔性 | 0.5 – SLMは1%、EBMは5%まで |
| 微細構造 | 微細な柱状の先行ベータ粒にアルファのラス。 |
チタンAM部品の設計上の考慮点
- 部品の向きを最適化し、サポートを減らし、オーバーハングを避ける
- 支柱を避けるため、45°以上の自立角を使用する。
- 薄い壁（1mm以下）は、より高いレーザー強度とスキャン速度を必要とする。
- 最小穴径は1mm以上
- 粉体除去のため、内部溝は≥ 2 mmとする。
- 部分的に中空の密閉された容積は避ける
- 耐荷重部品に十分な肉厚（2～4mm）を確保する。
- 機械加工、穴あけ、研磨などの後処理を可能にする。
チタン積層造形の規格
| スタンダード | 説明 |
|---|---|
| ASTM F3001 | 粉末床溶融法によるチタン-6アルミニウム-4バナジウムELI(Extra Low Interstitial)積層造形の標準仕様 |
| ASTM F2924 | 粉末溶融法によるチタン-6アルミニウム-4バナジウム積層造形標準仕様書 |
| ASTM F3184 | 粉末溶融法によるステンレス鋼の積層造形に関する標準仕様書 |
| ISO/ASTM 52921 | 積層造形に関する標準用語 – システムとテスト手法の調整 |
| ASME BPVCセクションIX | アディティブ・マニュファクチャリング資格のためのボイラー・圧力容器コード |
チタン積層造形システムのサプライヤー
| サプライヤー | プリンターモデル | 開始価格帯 |
|---|---|---|
| イーオーエス | EOS M 100、EOS M 290、EOS M 400 | $200,000 – $1,500,000 |
| SLMソリューション | SLM®125、SLM®280、SLM®500、SLM®800 | $250,000 – $1,400,000 |
| 3Dシステムズ | ProX® DMP 200、ProX® DMP 300、ProX® DMP 320 | $350,000 – $1,250,000 |
| GEアディティブ | コンセプトレーザーM2、M2マルチレーザー、M2デュアルレーザー | $400,000 – $1,200,000 |
| ベロ3D | サファイア, サファイアXC | $150,000 – $600,000 |
価格は、造形量、レーザー出力、追加機能によって異なる。追加費用には、設置、トレーニング、材料、後処理が含まれます。
チタンプリンターの操作とメンテナンス
- メーカーの取扱説明書および安全注意事項を入手し、それに従ってください。
- レーザーの出力とビーム品質を維持するため、光学系とミラーのクリーニングを行う。
- レーザーとスキャニング・システムのキャリブレーションを定期的に実施する。
- 製造開始前にテストプリントを行い、部品の品質を確認する。
- 印刷パラメータの標準作業手順書（SOP）の作成
- チタンパウダーは不活性環境で適切に保管し、取り扱うこと。
- ビルド・チャンバーを定期的に清掃し、凝縮物質を除去して汚染を防ぐ。
- リニアガイドのグリスアップ、ファスナーの締め付け、フィルタの交換など、予防的なメンテナンスの実施
チタン積層造形サプライヤー/サービス局の選択
| 考察 | 詳細 |
|---|---|
| 経験と専門知識 | 長年の経験、訓練されたオペレーター、金属AMの専門知識 |
| プリンターの機種と仕様 | 製造量、精度、材料などを評価する。 |
| 品質認証 | ISO9001、ISO13485、Nadcap認定 |
| 材料の入手可能性 | チタン合金の種類、粒子径、カスタマイズ合金 |
| 後処理機能 | 脱バインダー、HIP、機械加工、研磨、コーティング |
| 部品の試験と検証 | 機械試験、NDT、金属組織学 |
| デザインサポート | トポロジー最適化、AMガイドラインのための設計 |
| 生産能力 | バッチサイズ、リードタイム、スケーラビリティ、冗長能力 |
| コスト | 機械時間単価、材料価格、追加料金 |
| 顧客紹介とレビュー | 既存顧客からのサービス品質に関するフィードバック |
チタン積層造形の長所と短所
| メリット | 制限事項 |
|---|---|
| 複雑で軽量な形状が可能 | 大量生産には従来の製造より高いコスト |
| アセンブリの統合と部品点数の削減 | 機械加工よりも寸法精度と表面仕上げが低い |
| 少量ロットのリードタイム短縮 | 所望の特性を得るためには、しばしば後処理が必要である。 |
| 材料廃棄の削減 | 異方性材料特性と残留応力 |
| デザインの反復における柔軟性 | プリンター造形量に基づくサイズ制限 |
| ジャスト・イン・タイム生産 | 複雑な内部流路の粉体除去 |
| パーツのカスタマイズとパーソナライズ | 熱間静水圧プレスが必要な材料の空隙 |
チタン部品の金属射出成形と積層造形の違い
| パラメータ | 金属射出成形 | 付加製造 |
|---|---|---|
| プロセス | 金属微粉末をバインダーと混合し、射出成形した後、脱バインダー、焼結する。 | チタン粉末を層状に溶融し、レーザーや電子ビームで直接部品を作る |
| パート・コンプレックス | 単純な2.5次元形状のみ可能 | 格子のような非常に複雑な形状の印刷が可能 |
| 部品サイズ | 数インチまで | 造成量による制限あり、通常20インチ以下 |
| 精度 | 非常に高く、±0.5%まで許容差が容易 | 寸法で±0.2%程度と中程度 |
| 表面仕上げ | 成型加工により優れている | 後処理が必要な粗い表面 |
| 機械的性質 | 等方性、残留応力の低減 | 異方性、高い残留応力 |
| 素材オプション | 限定合金とブレンド | 幅広いチタングレードとカスタマイズされた合金 |
| セットアップ費用 | 高い初期金型投資 | スタートアップ・コストの削減 |
| 生産量 | 最大数百万台の大量生産 | 10～10,000個の小ロットに最適化 |
| リードタイム | 金型製作のリードタイムが長い | 機能部品までの時間短縮、迅速な設計反復 |
チタンAMにおける選択的レーザー溶解（SLM）と電子ビーム溶解（EBM）の比較
| パラメータ | 選択的レーザー溶融（SLM） | 電子ビーム溶解（EBM） |
|---|---|---|
| 熱源 | 集光レーザービーム | 高出力電子ビーム |
| 雰囲気 | 不活性アルゴンガス | 真空 |
| 熱入力 | レーザーからの高度に局所的な入力 | 大型電子ビームによる幅広い入力 |
| 精度 | レーザースポット径が微細なため高い | 10～100μm下げる |
| 表面仕上げ | より滑らかな表面、磨きやすさ | 粒状の多孔質表面仕上げ |
| ビルド速度 | 低速、約5～20 cm3/時 | より速く、最大45 cm3/時 |
| 使用合金 | Ti-6Al-4V、市販純Ti、その他 | 主にTi-6Al-4V |
| コスト | 設備および運営コストの上昇 | 所有コストの低減 |
| 多孔性 | 気孔率が低く、約0.5 | 約5％の高い気孔率 |
| 微細構造 | アルファラスを伴う微細な先行ベータ粒 | より粗いβ粒と針状α’マルテンサイト |
| 後処理 | 熱処理の必要性が低い | 空隙率を減らすためにHIPが必要となることが多い |
| 機械的性質 | より高い強度と延性 | 異方性が高くても強度は低い |
| 用途 | 航空宇宙、医療用インプラント、自動車 | 航空宇宙、バイオメディカル |
要約すると、SLMはより優れた精度と表面仕上げを提供する一方、EBMは造形速度が速いという利点がある。層状溶融プロセスは、どちらの方法でも残留応力と異方性材料特性を誘発する。
よくある質問
Q.積層造形でよく使われるチタン合金はどれですか？
A.Ti-6Al-4Vは最も広く使用されているチタン合金で、チタンAMの50％以上を占めています。他の合金には、Ti-6Al-4V ELI、商業的に純度の高いグレード2と4のチタン、Ti-6Al-7Nb、Ti-5Al-5Mo-5V-3Crがあります。
Q.付加製造されたチタン部品には、通常どのような後処理が必要ですか？
A.熱間等方圧加圧（HIP）、熱処理、表面加工、穴あけ、研磨、コーティングの塗布などの後処理工程は、通常、所望の寸法精度、表面仕上げ、材料特性を達成するために必要である。
Q.積層造形チタンの機械的特性は、鍛造チタンや鋳造チタンと比較してどうですか？
A.AMチタン部品は、鍛造チタンや鋳造チタンの引張強度や疲労強度に匹敵するか、それを超えることができます。しかしながら、AMチタンは従来の方法とは異なり、層状に製造されるため、特性に異方性を示します。
Q.積層造形チタンの疲労性能を向上させるためには、どのような方法がありますか？
A.疲労性能は、熱間等方加圧（HIP）、ショットピーニン グ、化学エッチング、機械加工、および圧縮応力を 誘導し、表面欠陥を除去し、微細構造を改善するその他の 後処理工程を施すことによって改善できる。
Q.アディティブ・マニュファクチャリングは、従来の方法と比べてチタン部品のコストを削減できますか？
A.小ロットの場合、AMはビレットからの機械加工に比べて大幅なコスト削減が可能です。大量生産の場合、粉末材料のコストが高いため、AMは鋳造や鍛造よりもまだ高価です。
Q.AMチタンの表面粗さはCNC加工と比べてどうですか？
A.As-printされたチタン部品は、1μm以下のRaを達成することができる機械加工された表面と比較して、10-25μm Raという高い表面粗さを有する。より滑らかな表面仕上げが必要な場合は、追加の後処理が必要です。
Q.チタン粉末を取り扱う際の安全上の注意点は？
A.チタン粉末は、酸化を防ぐために不活性環境で保管されるべきである。取り扱い手順は、粉塵の発生と吸入を防止しなければならない。機械内の粉末コンパートメントは不活性ガスパージとO2モニタリングが必要である。
Q.鋼鉄の代わりにAMでチタン部品を製造する利点は何ですか？
A.AMチタンはスチールに比べて優れた強度対重量比を提供します。また、耐食性、生体適合性、高温性能にも優れており、航空宇宙、医療、自動車用途に適しています。
Q.造形方向はAMチタン部品の特性や品質にどのような影響を与えますか？
A.造形物の方向は、残留応力、表面仕上げ、幾何学的精度、強度や延性などの機械的特性に大きな影響を与える。部品は多くの場合、支持構造を最小化するように方向付けされます。
Q.チタンから積層造形部品を設計する際に考慮すべき点は何ですか？
A.主な設計上の考慮事項としては、オーバーハングを最小限にすること、ビルドサポートを組み込むこと、肉厚を0.8～4mmに維持すること、未溶融粉末除去用のアクセスホールを設けること、後処理の必要性を考慮することなどが挙げられる。
結論
積層造形は、複雑なチタン部品の製造を、従来の方法と比較して実行可能で経済的なものにします。技術の進歩と採用の拡大により、チタンAMは重要な産業においてより軽く、より強く、より有能な設計を可能にします。しかしながら、残留応力、異方性、表面仕上げ、規格などのプロセス上の課題は、研究開発を通じて対処され続けています。さらなる成熟により、AMはチタン金属の能力をフルに発揮し、世界中の製造業を変革する可能性を秘めています。
