はじめに
チタン合金特にTi-6Al-4V（TC4またはTi64としても知られる）は、積層造形や3Dプリンティングの定番材料となっている。TC4は、高い強度対重量比、耐食性、生体適合性などのユニークな特性により、幅広い3Dプリント部品や用途に理想的な選択肢となっている。
この記事では、3Dプリンティングに適したTC4の主な特性と特徴、様々な3Dプリンティング技術で使用される一般的なTC4粉末の種類とパラメータ、3DプリンティングされたTC4コンポーネントの用途と利点、そして付加製造におけるこの多用途チタン合金粉末の将来の展望を探ります。
主な特性 チタン合金 3Dプリンティング
TC4の機械的特性、耐食性、生体適合性のバランスは、その組成と微細構造に起因しています。このチタン合金を3Dプリンティングの最有力候補とする主な特性のいくつかをご紹介します：
高い強度重量比
TC4の密度は4.43g/cm3で、鋼のほぼ半分である。しかし、その引張強さは1000から1100MPaで、多くの鋼に匹敵する。このため、TC4は優れた強度対重量比を持ち、軽量構造部品に適している。
耐食性
チタンにアルミニウムを加えることで、TC4は多くの酸、アルカリ、塩化物に対して優れた耐食性を持つ。この耐性により、TC4印刷部品は過酷な環境でも使用できる。また、TC4上に形成される酸化物層は生体適合性を提供します。
溶接性
TC4は、TIGやレーザーのような伝統的な溶接方法で融接することができます。これは、3DプリントされたTC4部品と、従来から製造されているチタン部品やアセンブリとの接合に役立ちます。
高温特性
TC4は、短時間であれば400℃までの高温下でも適切な機械的特性を保持する。このため、TC4印刷部品は、航空宇宙、自動車などの高温用途に使用することができます。
生体適合性
酸化皮膜と細胞毒性の欠如により、TC4は高い生体適合性を持つ。そのため、人体と接する生体インプラントや機器に使用することができる。一般的な用途としては、歯科用インプラント、整形外科用インプラント、外科用器具などがある。
3Dプリンティング用TC4パウダーの種類
TC4は、さまざまな3Dプリンティングプロセスに適合するよう、さまざまなパウダータイプが用意されている：
プラズマアトマイズ粉末
プラズマアトマイズは、高温プラズマガスを使用して液体チタン合金を溶融し、微細な球状粉末に霧化します。これにより、バインダーの噴射や材料の押し出し3Dプリントに適した、流動性と充填密度の良い粉末粒子が得られます。
ガスアトマイズ粉末
不活性ガスアトマイズでは、合金溶融流が液滴に分解され、球状粉末に凝固します。ガスアトマイズされたTC4パウダーは、レーザー粉末床融合3Dプリンティングに理想的な、より高い純度と安定した粒子径を有しています。
ブレンド・エレメンタル・パウダー
混合元素粉末は、機械的に混合された純チタン、アルミニウム、バナジウム粉末から始まります。これにより、レーザー指向性エネルギー堆積法3Dプリンティングプロセスに最適化された不規則な形状の粒子が得られます。
TC4の主な印刷パラメータ
TC4の印刷パラメータは、使用する特定の3D印刷プロセスによって異なる：
レーザー粉体ベッド融合
- 層厚：20～50μm
- レーザー出力: 100-400W
- スキャン速度：800-1200mm/秒
- ハッチの間隔80-200μm
- 熱応力や反りを避けるため、印刷時にサポートが必要
バインダー・ジェット
- 層厚：80～150μm
- バインダー飽和度：90～100
- 硬化温度180°C
- 完全な密度を達成するためには、印刷後に浸透が必要である。
直接エネルギー蒸着
- 粉体供給速度3-12 g/分
- レーザー出力: 500-1000W
- 移動速度：5～25 mm/s
- 特性を制御するために、複数のパスとスキャニング戦略が使用される。
3DプリントTC4部品の用途
バランスのとれた材料特性のおかげで、TC4はさまざまな業界の3Dプリンティングに使用されている：
航空宇宙
軽量構造ブラケット、機体部品、タービンブレード、熱交換器など、より要求の厳しい航空宇宙部品がTC4から印刷される。
医療用インプラント
TC4’の生体適合性により、股関節ステム、脊椎ケージ、頭蓋プレート、歯科インプラントのような患者固有のインプラントを印刷生産することができる。
自動車
TC4では、ピストン、ターボチャージャー、バルブ、ギアなどの軽量パワートレイン、エンジン、サスペンション部品の3Dプリントが増えている。
化学処理
耐腐食性TC4は、攪拌機、ハウジング、バルブ、その他腐食性化学薬品を扱う部品の印刷に使用されます。
3DプリンティングTC4と従来の加工との違い
TC4コンポーネントの積層造形には、従来のサブトラクティブ工法と比較していくつかの利点がある：
デザインの自由
3Dプリンティングは、鋳造や機械加工が容易でない格子、内部チャネル、有機的形状のような複雑な形状を可能にする。
軽量化
軽量化のために設計を最適化し、必要な量の材料だけを使用することで、より軽い部品を印刷することができる。
部品の統合
複数の部品を1つの3Dプリント部品に統合することができ、組み立ての必要性を減らすことができる。
カスタマイズ
患者固有のインプラント、製造ライン用の治具や冶具、設計の反復は、工具なしで簡単にカスタマイズしてプリントすることができる。
無駄の削減
3Dプリンティングでは、ビレットからの機械加工と比較して、材料の無駄が大幅に少なくなる。
リードタイムの短縮
アディティブ・プロセスは、従来のチタン部品製造に伴う長くてコストのかかる金型やセットアップを回避することができる。
3Dプリンティングの課題 TC4
3DプリンターTC4が新たな扉を開く一方で、いくつかの課題も残っている：
異方性特性
印刷されたTC4コンポーネントの特性は、レイヤー・バイ・レイヤー製造のため、製造方向によって異なる可能性がある。必要な部分の強度を最大にするためには、配向の最適化が必要である。
ポロシティ・コントロール
最適化された加工パラメーターなしでは、完全な密度の欠如や多孔質の欠陥が発生する可能性がある。そのため、異なる形状や3Dプリンティングプロセスのニュアンスに合わせてパラメーターを調整する必要がある。
高コスト
TC4パウダーもチタン合金を使った3Dプリンティングも、他の材料やプロセスよりも高価である。コストが高いため、より広い範囲での採用には限界があります。
後処理
最終的な寸法、表面仕上げ、美観、正しい微細構造を達成するためには、印刷後にかなりの機械加工と仕上げが必要になる場合がある。
資格基準
3Dプリンティングされたチタンコンポーネントの認定と認証のための業界固有のコードと基準は、まだ進化と成熟を続けています。
今後の展望
3Dプリンティング技術の急速な進歩に伴い、TC4は今後もあらゆる産業で利用されるようになるでしょう。今後のトレンドをいくつか紹介しよう：
プロセスの改善
レーザー粉末床溶融や指向性エネルギー蒸着のようなプロセスは、造形速度、部品密度、材料特性、表面仕上げを改善し続けるだろう。
大型コンポーネント
パウダーベッド溶融におけるサイズの限界は、造形体積が大きくなるにつれて拡大し、航空宇宙やその他の分野でより大きなTC4部品の印刷が可能になる。
ハイブリッド製造
アディティブ・プロセスとサブトラクティブ・プロセスを併用したハイブリッド製造により、複雑なTC4コンポーネントを最小のリードタイムで効率的に製造することが可能になる。
新規アプリケーション
3Dプリンティングは、軽量で耐食性に優れるスポーツ用品から船舶用ハードウェアに至るまで、さまざまな用途でTC4の利用を促進するだろう。
デザイン・ソフトウェアの統合
設計ソフトウェアの進歩により、シミュレーション、トポロジー最適化、サポート生成、その他のツールが緊密に統合され、積層造形のためのシームレスな設計が可能になる。
コスト改善
採用の増加、プロセスの改善、粉末の再利用率の向上により、コストが下がり、3DプリントTC4のより多くの用途が経済的に実現可能になる。
概要
まとめると、Ti-6Al-4VまたはTC4は、高強度、低密度、耐熱性、溶接性、耐食性などの特性を最適に兼ね備えており、航空宇宙、医療、自動車、化学、その他要求の厳しい産業における重要部品の3Dプリントに適している。
3Dプリンティング技術が急速な進化を続ける中、TC4は、そのユニークな機能から恩恵を受ける付加製造部品や使用例の増加に伴い、選択される材料となるでしょう。TC4は、経済性、プロセス能力、アプリケーションの理解度が向上するにつれて、3Dプリンティングの基礎材料となり、将来にわたって革新的な部品設計を可能にする重要な材料となることが期待されています。
よくある質問
TC4が3Dプリントに適している理由は何ですか？
TC4は、高強度、低密度、耐熱性、耐腐食性、生体適合性などの特性を備えており、航空宇宙、医療、その他の用途の複雑で要求の厳しい部品の3Dプリントに理想的な材料です。
TC4で使用されている主な3Dプリントプロセスは何ですか？
TC4で最も一般的な3Dプリンティングプロセスは、レーザー粉末床融合法、バインダージェッティング法、指向性エネルギー堆積法である。それぞれのプロセスには、特定の粉末特性と印刷パラメータが必要です。
3DプリントされたTC4部品の代表的な用途は？
TC4部品は、航空宇宙部品、生物医学インプラント、自動車部品、化学装置、TC4の特性を生かしたスポーツ用品などの消費者製品など、さまざまな用途に3Dプリントされている。
3Dプリンターと従来のTC4加工との比較は？
3DプリンティングTC4は、設計上の制約、高い購買比率、長いリードタイムといった従来のサブトラクティブ製造の制限に比べ、より軽量な設計、部品の統合、カスタマイズ、廃棄物の削減、迅速な生産を可能にする。
TC4を3Dプリントする上での課題は何ですか？
主な課題としては、機械的特性の異方性、気孔欠陥、高い材料費と加工費、大きな後処理要件、進化する認定基準などがある。さらなるプロセスの改良と改善が、これらの課題解決に役立つだろう。
