3Dプリンティング技術の急速な進歩に伴い、3Dプリンティング消耗品、特に 3Dプリンター用金属粉末も急速に発展している。この中にはチタン粉末やチタン合金粉末、チタンアルミニウム合金粉末などの使用が含まれ、特に注目されている。
球状チタン合金粉末は最も広く使用されている。 金属粉 Dプリンティングにおける材料である。したがって、この記事では、球状チタン合金粉末を調製するいくつかの方法に焦点を当て、その将来の応用についての展望を述べる。
チタン合金は低密度、高強度、良好な耐食性、高融点などを有する。積層造形技術に最もよく使用される金属の一つであり、航空、航空宇宙、自動車、バイオテクノロジーの分野で構造部品として広く使用されている。
チタン合金粉末の調製
また、3Dプリンティングの主要技術のひとつであることも知っている、 選択的レーザー溶融（SLM)は、小さく精密で複雑な部品の製造に適している。この技術はチタン合金粉末の狭い粒径を必要とし、粉末の高い真球度、純度、流動性が要求されます。
真空不活性ガスアトマイズ(VIGA)、電極誘導ガスアトマイズ(EIGA)、プラズマ回転電極プロセス(PREP)、プラズマアトマイズ(PA)、プラズマスフェロイド化(PS)などの一般的な粉末作製方法を比較した結果、PREP装置は、その使用要件を満たす良好な真球度、流動性、純度のチタン合金粉末を作製できることが分かりました。
プラズマ回転電極プロセス（PREP）は、球状チタン合金粉末を調製するための最も一般的な方法の一つです。原理は、チタン合金棒を自己消費電極として使用し、プラズマを熱源として電極を徐々に溶融させながら、電極を高速で回転させ続けることです。
従来の回転電極法（REP）では、タングステン電極を使用するが、この電極も金属アトマイズ中に腐食し、不純物成分として粉末に混入する可能性がある。
1985年、西北非鉄金属研究所は独自に中国初のPREP装置を設計・開発した。
同社が使用するPREPの準備工程は、高速回転する電極（原料）を高純度の不活性雰囲気に守られたプラズマアークで溶融し、溶融金属を大きな遠心力で噴出して不活性雰囲気で霧化し、コールドチャンバーの内壁に接触させて球状の粉末に凝縮させる。
この技術とシステムを使用することで、高い真球度（90％以上）、低い気孔率、サテライトパウダーを得ることができます。これは我々が必要とするチタン合金粉末の要求を完全に満たすものである。
チタン合金粉末の用途
上記の通り、チタン合金粉末は幅広い用途で使用されていますので、ここでは参考までにその一部をご紹介します。
チタン合金は医療分野で関節インプラントや人工関節などに広く使用されています。チタン合金は加工性が高いため、従来の設計とは異なる個体差を実現することができ、医療機器の適応性が向上します。また、3Dプリントされたチタンの短い加工サイクルは、骨腫瘍などの疾患を持つ患者にとって長期的な意味を持つ。
チタンおよびチタン合金の高強度、高温、耐食性は、航空宇宙分野での新参者であり、3Dプリンティング技術の開発と応用により、近年急速に採用されている。航空宇宙分野では、チタンとチタン合金は通常の材料よりも軽く、強く、延性があります。また、耐食性にも優れているため、船舶や航空機の用途でますます競争力を増しています。
3Dプリンティングの重要な消耗品として、航空宇宙、自動車、生物医学産業におけるチタン合金の応用と開発も、3Dプリンティング技術の発展を牽引してきた。
日本経済発展の展望 チタン合金粉末
一部では「第4の技術革命」と定義されるアディティブ・マニュファクチャリングは、スマート・マニュファクチャリングにおける最先端かつ有望な技術開発の1つとして、すでに業界で広く見なされており、それに呼応するように印刷消耗品としての金属材料の開発が急成長している。
コンサルタント会社SmarTechによると、金属粉末の積層造形の世界市場は2024年までに110億米ドルに達すると予測されている。
チタンおよびチタン合金は、その優れた強度と靭性、耐食性、低密度、生体適合性により、航空宇宙、自動車、生物医学などの分野で広く使用されており、市場の需要は非常に有望である。
プラズマ技術の応用と開発は、チタン合金粉末の調製に技術的なサポートを提供する。
プラズマ回転電極プロセスは、電極速度や得られる粉末の粗い粒子径などの要因によって制限されるが、粉末製造装置の研究機関の中には、この問題を解決するために取り組んでいるところもある。
プラズマ回転装置の開発と普及により、3Dプリンティング分野におけるチタンとチタン合金粉末のコストは徐々に低下し、積層造形分野における金属粉末の幅広い応用も促進される。
3Dプリンターが今後、さらに多くの分野で私たちの生活を変えていくと信じるに足る理由があり、チタン合金粉末の準備と開発はこのプロセスに大きな影響を与えるだろう。
Additional FAQs: Titanium Alloy Powder and 3D Printing
1) Which titanium alloy powder grades are most used for AM and why?
- Ti6Al4V (Grade 5/23 ELI) dominates due to strength-to-weight, weldability, and biocompatibility. Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo and Ti-5553 appear in aerospace for higher temperature or strength; CP-Ti (Grade 2) is used for corrosion resistance and formability.
2) What particle size and sphericity are optimal for common AM processes?
- LPBF: 15–45 µm, high sphericity (>90%) for flowability and packing.
- EBM: 45–105 µm to suit elevated preheats and larger melt pools.
- DED: 50–150 µm with consistent flow. PREP/EIGA/PA routes yield excellent sphericity and low satellites.
3) How do oxygen and nitrogen contents affect titanium alloy powder performance?
- Interstitials (O, N) raise strength but reduce ductility and fatigue life. AM-grade Ti6Al4V ELI often targets O ≤ 0.13 wt% and N ≤ 0.05 wt%. Tight humidity control limits O pickup during storage/reuse.
4) PREP vs. VIGA/EIGA/PA: when to choose each for titanium alloy powder?
- PREP: clean, high-sphericity powder with very low inclusions—excellent for medical/aerospace; typically narrower PSD, higher cost.
- VIGA/EIGA: scalable gas atomization; EIGA avoids electrode/contact contamination.
- PA/PS: very spherical, fine PSD; favored for LPBF where low satellites and flow are critical.
5) What post-processing is typical for AM titanium parts?
- Stress relief, HIP for defect closure and isotropy, machining, surface finishing (grit blasting, chemical milling/electropolish), and tailored heat treatments to tune alpha/beta microstructure. For implants: cleaning, passivation, and validation per medical QMS.
2025 Industry Trends: Titanium Alloy Powder
- Medical scale-up: More lattice implants in Grade 23 with validated powder genealogy and in-line O/N/H monitoring.
- Aerospace productivity: Multi-laser LPBF and software-driven scan strategies cut cycle times 10–20% for Ti6Al4V brackets and ducts.
- Feedstock sustainability: Closed-loop recycling of oversize/unused powder with certified impurity limits; EPDs requested by OEMs.
- Process convergence: PREP and EIGA powders increasingly co-qualified as suppliers demonstrate consistent PSD and interstitial control.
- Design maturation: Functionally graded lattices and thin-wall heat exchangers push demand for tighter PSD and low-satellite content.
2025 Titanium Alloy Powder Snapshot (Indicative)
| メートル | 2023 | 2024 | 2025 YTD (Aug) | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| Global titanium AM powder demand (kt) | ~10.4 | ~11.2 | ~12.1 | Driven by aerospace + medical |
| AM-grade Ti6Al4V price (USD/kg) | 180–260 | 170–240 | 160–230 | Scale, reuse, competition |
| Typical O spec (Grade 23, wt%) | ≤0.13 | ≤0.12 | ≤0.11 | Tighter interstitial control |
| LPBF average build-rate gain vs. 2023 | - | +8–12% | +10–20% | Multi-laser and scan tuning |
| Share of PREP/EIGA in medical Ti powders (%) | ~46 | ~50 | ~54 | Inclusion control emphasis |
| Reused powder share in AM builds (%) | 30–40 | 35–45 | 40–50 | With genealogy + O/N/H limits |
Sources:
- ASTM/ISO AM standards: https://www.astm.org, https://www.iso.org
- FDA device databases and AM guidance: https://www.fda.gov/medical-devices
- MPIF and industry trackers (Context/Wohlers-type reports)
- Supplier technical notes (AP&C/GE Additive, EOS, Höganäs, Carpenter Additive)
Latest Research Cases
Case Study 1: High-Fatigue Ti6Al4V ELI Lattice Implants via LPBF (2025)
Background: A medical OEM needed higher fatigue performance and osseointegration for acetabular cups.
Solution: Used ELI powder (D50 ~30 µm, O=0.10 wt%) from EIGA route; gradient lattice (60–80% porosity), contour remelts, HIP, and surface roughening (Ra 20–35 µm) with validated cleaning.
Results: 25–30% increase in high-cycle fatigue life; early osseointegration improved in pilot cohort; powder reuse extended to 10 cycles with O ≤ 0.12 wt%.
Case Study 2: Thin-Wall Ti6Al4V Heat Exchangers with PREP Powder (2024)
Background: An aerospace supplier targeted compact, leak-tight exchangers for bleed-air cooling.
Solution: PREP Ti6Al4V powder (15–45 µm, high sphericity) with adaptive hatch/contour and 200°C plate preheat; selective HIP for core; chemical milling to uniformize walls.
Results: Helium leak ≤1×10^-9 mbar·L/s, density ≥99.7% in HIPed zones; mass reduced 18% vs. brazed assembly; build time -12% using optimized scan order.
Expert Opinions
- Prof. Amy J. Clarke, Professor of Metallurgy, Colorado School of Mines
- “Powder PSD stability and interstitial control across reuse cycles are as critical to fatigue scatter as the post-build HIP for Ti6Al4V.”
- Dr. Martin Wegener, Head of Materials and Processes, EOS GmbH
- “For titanium alloy powder, scan strategy and preheat management now rival hardware in achieving density and consistent surface quality on thin walls.”
- Dr. Dirk N. Schwab, Head of R&D, Plansee High Performance Materials
- “PREP and EIGA powders can both meet medical/aerospace needs when oxygen and inclusions are tightly controlled—supplier genealogy is decisive.”
Practical Tools and Resources
- ISO/ASTM 52907 (AM feedstock requirements), ISO/ASTM 52904 (LPBF of metals): https://www.iso.org
- ASTM F3001 (Ti-6Al-4V ELI AM), ASTM F2924 (PBF Ti-6Al-4V), ASTM F3302 (AM material specs): https://www.astm.org
- FDA Technical Considerations for Additive Manufactured Medical Devices: https://www.fda.gov/medical-devices
- NIST AM-Bench (datasets for melt pool/porosity studies): https://www.nist.gov/ambench
- Senvol Database for machine–material mapping: https://senvol.com
- OEM application notes: GE Additive/AP&C, EOS, SLM Solutions, Renishaw
- OSHA/NIOSH combustible dust and metal powder handling: https://www.osha.gov, https://www.cdc.gov/niosh
Last updated: 2025-08-25
Changelog: Added 5 targeted FAQs; inserted a 2025 trends snapshot with metrics table and sources; provided two recent case studies; included expert viewpoints; curated standards and resource links
Next review date & triggers: 2026-02-01 or earlier if ASTM/ISO/FDA guidance updates, major OEM qualifications change reuse limits, or market demand shifts >10% in aerospace/medical segments
