3D プリントに使用できる金属は何ですか?

金属3Dプリントは、これまで経験したことのないスピードで製造の世界に革命を起こし、設計とエンジニアを従来の制約から解放しています。高性能から航空宇宙部品個人への医療機器複雑で軽量化された産業機器まで、正確な金属材料の選択がこれらの用途への扉を開きます。この記事では、上位の内容について完全に説明します3D 印刷可能な金属チタン合金、アルミニウム合金、ステンレス鋼、高温合金、工具鋼、貴金属など、その特性、適切なプロセス、主な使用分野を網羅し、金属による積層造形の無限の可能性を解き放ちます。

クイックリファレンス: 一目でわかるタップの選択

金属の種類	主な特徴と代表的な用途
チタン合金(Ti6Al4V)	高い強度対重量比、良好な生体適合性。航空宇宙構造部品、高性能車両部品、オース
アルミニウム合金（AlSi10Mg、スカルマロイ）	電気伝導性と熱伝導性が高く、軽量。車両部品、軽量、ドローンシャーシ、宇宙船パネル。
ステンレス鋼（316L、17-4PH、15-5PH）	高い耐食性、優れた機械的特性。食品加工装置、船舶用ハードウェア部品、工具ホルダー、医療機器、工業用パイプやバルブなど。
超合金（インコネル718/625、ハステロイX）	高温での高い強度、耐酸化性、耐クリープ性。航空機エンジン部品（タービンブレードの羽根車）、ガスタービン、ロケットエンジン、高温炉など。
工具鋼（H13、マレージング鋼300/350）	高硬度、高耐摩耗性、高熱処理強度。射出成形用インサート、ダイカスト金型、切削工具など、機能的にも優れた性能を発揮します。
貴金属（金、銀、プラチナ）	高価値、独自の品質 (導電性、生体不活性、触媒活性)。宝飾品、特殊な電子接点、特殊な医療/研究機器などの用途に使用されます。
銅合金（純銅、CuCrZr）	優れた電気伝導性と熱伝導性。ヒートシンク、熱交換器、誘導コイル、モーター巻線、導電性コネクターに適用されます。
コバルトクロム合金（CoCr）	高強度と良好な生体適合性を備えた優れた耐摩耗性。歯科修復物（クラウン/ブリッジ）への応用

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チタン合金：軽量・高強度の王様

Ti6Al4V (グレード 5 および 23) およびその他のチタン合金の詳細な紹介

Ti6Al4V

としても知られていますTC4チタン合金、代表的なα+βチタン合金です。その化学組成は主に次のもので構成されています。マトリックスとしてのチタン (Ti)。合金の強度と熱安定性を高めるためのアルミニウム (Al) (6%)。可塑性と耐食性を向上させるバナジウム (V) (4%)。 Ti6Al4V は、強度、靱性、耐熱性、耐食性、低密度など、多くの利点を兼ね備えています。世界で最も広く使用されているチタン合金であり、世界のチタン合金使用量の 50% 以上を占めています。簡単に言うと、アルミニウムよりも硬く、鋼よりも軽く、ステンレス鋼よりも耐食性に優れています。

グレード 5 (Ti-6Al-4V)

主力グレードであるグレード 5 (Ti-6Al-4V) が最も広く使用されています。 主力チタン合金それは、引張強さ（≧895 MPa）、降伏強さ（≧830 MPa）、そして徐々に高い延性（伸び≧10%）の最良の組み合わせを提供するためです。低格子間含有量のグレード 23 (Ti-6Al-4V ELI、超低格子間) は、高強度 (引張強さ ≥828 MPa)、破壊靱性、および損傷耐性を低下させることなく、著しく向上します。これは、深海油井探査ライザー、航空部品、人工関節など、最大の信頼性、多軸応力に対する高い耐性、または低温使用を必要とする安全性が重要な耐荷重構造部品に特に適しています。

グレード 5 およびグレード 23 シリーズの他に、チタン合金ファミリーには、高強度と耐久性の TC21 (引張強度 1100 MPa 以上)、高温耐性 TC11 (-500 °C 以内で使用可能)、および市販の純チタン TA1/Ti グレード 2 (- 優れた耐食性と成形性。化学工学および一般用途でよく見られます) が含まれています。医療用途）。これらの合金はすべて、高強度、高靱性、高耐食性、良好な溶接性、および高い生体適合性に対するさまざまで厳しい使用環境のニーズを満たすために、Al、V、Ru、星間元素 (O、N、C、Fe) などの構成元素内の含有量を厳密に制御しています。

特徴

高い強度重量比、高い耐食性、優れた生体適合性。 Ti-6Al-4V チタン合金は、機械的特性、腐食特性、および物理的特性の理想的なバランスを提供します。

高い強度重量比:密度はわずか 4.43 g/cm3 (鋼のわずか 60%) ですが、チタン合金の比強度は、高張力合金鋼の比強度と同等か、それを超えません。したがって、同様の荷重を受けたチタン合金部品は、40% 以上の圧倒的な重量削減を示します。その降伏強度は通常 800 ～ 880 MPa であり、資料展示品応力が高くても延性変形が起こり、脆性により破損する可能性がはるかに低くなります。

優れた耐食性：フッ酸、酢酸、ギ酸などの侵食性媒体中では、表面に非常に迅速な不動態酸化チタンの薄層が付着し、優れた耐食性を備え、水中雰囲気だけでなく化学用途でも使用できます。

高い生体適合性:チタン合金、特にグレード 23 ELI は、人間の組織に対して非感作性、非毒性、非磁性です。チタン合金の弾性率は人間の骨の弾性率に非常に近いため、応力シールドが大幅に最小限に抑えられ、オッセオインテグレーションが向上します。耐摩耗性と生物活性は、表面処理 (例: 窒化チタンコーティング）、したがって、人工関節（股関節および膝関節）、骨プレート、骨ネジ、歯科インプラント、および高度な頭蓋顎顔面インプラントに適しています。世界初の「3Dプリントによる頸椎体全置換術」で使用されたカスタマイズされたチタン合金製補綴インプラントは、その患者で8年間使用可能であり、高水準の寿命に戻り、その高レベルの生体適合性と長期使用可能性が実証されました。

関連プロセス: 3D プリントの場合、チタン合金はより正確かつ効率的であり、たとえば、次のようなカスタマイズされたコンポーネントを設計できる可能性があります。 SLM 、EBM、DED。

用途:チタン合金は、その優れた特性により、航空宇宙用ステント、エンジン部品、医療機器の関節置換術、頭蓋顎顔面インプラント、高性能レーシングカーからスポーツ機器に至るまで、幅広い高性能用途の主力製品として浮上しています。

ステンレス鋼: 耐食性と産業用途の根幹

316L（耐食性）、17-4PH/15-5PH（析出硬化）、304L、420などの詳細説明

316L ステンレス鋼

と316Lステンレス鋼モリブデン含有ステンレス鋼であるため、 304 ステンレス鋼と比較して耐食性に優れており、パルプおよびパルプの機器に適した材料です。 製紙。 316 ステンレス鋼は、厳しい産業環境や海洋環境にも耐えます。 316L ステンレス鋼は、316 ステンレス鋼よりも炭化物の析出に長時間耐えられるため、高温用途に適しています。 316 鋼の低 C 合金である 316L は、316 鋼と同じ特性を備えていますが、粒界腐食耐性が強化されています。これは、耐粒界腐食性が重要なパラメータである 316 鋼用途に特有の要件です。ステンレス鋼のすべての形状の中で、316L と 17-4PH は一般に 3D プリントの黄金の組み合わせであると考えられています。これらのステンレス鋼の中でも、耐食性が高く、生体適合性が強化されている 316L は、医療用途で優れた性能を発揮します。

17-4PH / 15-5PH（析出硬化）

ステンレス15-5マルテンサイト系ステンレス鋼で、さまざまな用途に使用されています。他のマルテンサイトよりもある程度強化された耐食性と横方向の性能が必要なプロジェクトでの使用に最適です。熱処理温度を変更することで、個々のプロジェクトに必要な強度と硬度の程度を変えることができます。

17-4PH は析出硬化系の合金です。マルテンサイト系ステンレス鋼高い硬度と強度、および最大 600°F までの中程度の耐食性を示す合金。有用な製造特性があり、900 ～ 1150°F で 1 回の焼きなましで時効硬化が可能です。この合金は、油田および石油化学処理装置、継手、およびハードウェアで広範囲に使用されています。

304L ステンレス鋼

炭素含有量が低い304 合金鋼です。 304L は炭素が少ないため、溶接中に有害な炭化物の析出が減少します。このため、「304L」は、溶接されたこのグレードの機械的特性は標準の 304 グレードよりわずかに劣りますが、その多用途性により一般的に使用されています。 304ステンレス鋼、醸造およびワイン製造業界で一般的に使用されていますが、化学薬品の保管容器、鉱業、建築など、食品以外の業界の製品アプリケーションの作成にも使用できます。海水にさらされるボルトやナットなどの金属部品への使用に最適です。

304Lは、次のような非用途用途で安定した需要を享受しています。試作コスト競争力があるからです。 420 グレード鋼は、最低 12% のクロムレベルを含む高炭素マルテンサイトステンレス鋼です。 420 グレードの鋼および一般的なステンレス鋼は、熱処理によって初期状態から硬化することができます。 420 グレード鋼は、焼きなまし後の状態では比較的延性があり、研磨後、平面研削後、または焼き入れ後の耐食性に優れています。 420 グレードの鋼は、あらゆるタイプの精密機械、ベアリングタイプの用途、電気機器、計器、メーター、車両輸送、厨房機器、食品サービス、ステンレス鋼の医療機器に最適です。

特性:非常に高い耐食性、優れた機械的特性、または熱処理して高強度にすることができ、比較的低コストです。

応用プロセス：高強度、耐食性、高強度への熱処理性、および一般的なマスとの互換性のため金属3D加工SLM、DED、バインダージェッティングなどのステンレス鋼はよく知られています。 3D プリント金属。

用途：化学、食品、海洋産業のパイプバルブ、医療機器、工具や金型部品、建築金物、一般機能部品。

高温合金: 極限環境の守護者

インコネル 718、インコネル 625、ハステロイ X、ヘインズ 282 などのニッケルおよびコバルト基合金の広範な概要。

インコネル718

高性能ニッケル合金であり、基本的に腐食環境や高温環境でも使用されます。高強度、耐高温性、耐食性と最高レベルの性能を発揮します。溶接性そして機械加工性。化学組成中にニッケル、クロム、鉄、その他の合金が多く含まれており、厳しい耐熱性と耐酸化性を備えています。

インコネル625

ニッケル、クロム、モリブデンと微量のモリブデンを含むニッケル基合金です。 チタンとアルミニウム。良好な耐食性と高温特性を発揮します。耐腐食性と耐酸化性に優れているため、さまざまな過酷な環境での使用に適した特性を備えています。
ハステロイ X は、鉄含有量が高いモリブデンとクロムの高温合金であり、固溶強化合金です。

ハステロイX

耐酸化性、耐食性があり、高温（900℃以下など）、浸炭・窒化雰囲気、中性・還元雰囲気下でも高いクリープ強度と靱性を示します。

ヘインズ 282 合金

これは高度な Y グレードの強化超合金であり、高温構造用途、特に航空宇宙における地上およびタービン エンジンの用途向けに開発されました。従来のものと比較して、溶接性、熱安定性、クリープ強度、機械加工性のバランスに優れています。 市販合金。

特性:優れた高温強度、高い酸化耐性、クリープ耐性、耐食性。

適用可能なプロセス: SLM、EBM、DED の特別な専門知識を備えた

アプリケーション:航空機エンジンの用途、高温部ガスタービン部品（タービンブレード、燃焼器）、ロケットエンジン部品、原子力部品、高温炉。

工具鋼とダイス鋼: 耐摩耗性と耐久性

詳細紹介: H13 (熱間加工)、マレージング鋼 300/350 (時効硬化)、18Ni300、M2 (ハイス)、Toolox 33/44 など

H13

合金工具鋼および高速度加工鋼で、主に熱間鍛造金型、アルミニウム合金鋳物、熱間押出金型などの高温高圧金型に使用されます。 H13 は、高い熱間強度、赤色硬度、靭性を備え、優れた熱疲労耐性を備えているため、高温での使用において非常に優れた性能を発揮します。

特性：硬度が高く、耐摩耗性が高く、高温耐性が高い（熱間加工鋼）。熱処理後の強度が非常に高い（マレージング鋼）。

マレージング鋼 300/350（時効硬化）

時効硬化、またはマレージング鋼 300/350 は、時効による金属間化合物の析出によって硬度を達成する、低炭素または遊離炭素のマルテンサイト マトリックスで構成される高張力鋼です。従来の高張力鋼とは異なり、炭素によって硬さを実現するのではなく、金属間化合物の析出と分散によって硬さを実現するため、高張力鋼とは異なります。従来の鋼いくつかの面で。高強度、高靱性、低焼入性、良好な成形性、熱処理が容易、時効歪みがなく、溶接性が良好などの特徴があります。

18Ni300

これはマレージング 300 シリーズの合金であり、その組成と特性を備えています。その主な利点は、正確な部品の寸法安定性を達成するために、低温でエージングしたときの歪みが最小限に抑えられることです。冷間加工硬化性が低いため、複雑な加工に最適です。スタンピングとフォーミング。ミサイルシェル、高出力レーシングカーのコンロッド、精密機器などに応用されています。鋳造ショットモールド。

M2（ハイス）

これはモリブデンを基礎とした高速度工具鋼であり、主に炭素、モリブデン、タングステン、クロム、バナジウムの合金です。この鋼には、摩耗、衝撃、高温に対する高い耐性 (600°C まで品質を維持) があり、次のような用途に利用できます。切削工具、金型、高強度部品の製造。炭化物の高い分布均一性と高い靱性がこの鋼の特徴ですが、過熱する傾向があり、熱処理パラメータの厳密な制御が必要です。究極のレアアースであるセリウムを添加すると、微粒子の炭化物のサイズが微細化され、合金の偏析が減少し、高温能力と加工性が強化されます。

ツールックス 33/444

Toolox 33/44 は熱処理可能な革新的な鋼で、工場内で HRC 33 (Toolox 33) および HRC 44 (Toolox 44) に事前硬化されているため、熱処理のコストとサイクル時間が削減されます。この鋼には、高い加工効率、高速な直接切削速度、優れた放電加工性能と研磨効果があり、研磨時間を 3 分の 1 に短縮することができ、高い加工効率を備えています。互換性のある表面処理により、耐摩耗性がさらに最適化されます。大きいサイズで普段使いに便利です射出成形金型、自動車のスタンピング金型、ロボット治具などを提供し、リードタイムを短縮します。

適用可能なプロセス: SLM、EBM、特に DED に強み。

用途:射出/ダイカスト金型インサート、特にコンフォーマル冷却チャネルを備えたインサート、スタンピング/成形金型、切削工具、耐摩耗部品。

貴金属と特殊合金: 独特のニーズに応える

ゴールド、シルバー、プラチナ

これらは、3D 印刷における特有のニーズを満たすための貴金属です。
ジュエリー:ジュエリーは、標準的な室温および常圧において化学的に不活性であり、水および空気の主要成分に対して耐腐食性を備えていなければなりません。金は化学的安定性に優れています。シルバーは白っぽい銀の金属的な外観で、簡単に入手でき、安価であるため、ジュエリーの人気の選択肢として浮上しています。プラチナはホワイトゴールドですが、白っぽい銀色をしています。メタリックな外観、延性に優れ、腐食性の強酸や強アルカリに対して耐食性があり、融点が非常に高い。

特殊電子接点：あり電子マイクロコンタクト、金はアーク侵食に耐性があります。銀はエレクトロマイグレーションの阻害に耐えます。そしてプラチナは高温による酸化に耐えます。このような貴金属は、同様に、航空宇宙用リレー接点や核磁気共鳴画像装置の白金超電導コネクターにも利用されています。

研究用生物医学機器:埋め込み型センサー (金)、プラチナ製抗がん剤放出装置、および抗菌銀表面。

銅合金(純銅、CuCrZr)

電気や熱の伝導性に優れ、モーター部品、ヒートシンク、熱交換器、誘導コイルなどに利用されています。コバルト クロム合金 (CoCrMo) は、耐摩耗性が非常に高く、生体適合性も非常に高いため、歯科修復物や特定の整形外科用インプラントに利用されています。

適切なプロセス: SLM (特別なパラメータが必要)、BJ (貴金属)、および DED (銅)。

FQA

1. 3D プリントされた金属コンポーネントの強度は鍛造コンポーネントと同等ですか?

はい。熱処理などの適切な後処理プロセスの最適化により、結果として次のような結果が得られます。金属部品SLM や EBM などのプロセスによって製造されるものは、強度や疲労が従来の類似の鍛造部品の強度に達し、さらにはそれを超えています。

2. 従来の製造方法を置き換えることはできますか (例:鋳造とCNC ) 完全にメタリック 3D プリントで?

まだ、それはできません。複雑な形状、短期間の生産のためのカスタマイズ、および機械加工が難しい合金に適しています。ただし、ありふれた部品の大量生産は、従来の方法の方がコストが低く、迅速であり、両方のプロセスは補完的です。

3. 3D プリントされた金属には後処理が必要ですか?

はい、ごくまれな例外を除き、すべての金属 3D プリント コンポーネントには後処理が必要です。金属の 3D プリントに関連する一般的なプロセスは、サポート構造の除去、応力の緩和、熱処理、表面仕上げ (機械加工、研磨、サンドブラスト）、HIP（密度を向上させ、毛穴をなくすことを目的としています）。

4. 金属 3D プリントは材料費のせいでコストが高くなりますか?

そのコストは通常​​、それを製造する棒またはブロック金属のコストよりも大幅に高くなります。無視できない金額が製品のコストに追加されます。金属3Dプリントただし、全体的なコストパフォーマンスは、デザインの自由度や材料節約の役割と合わせてパッケージとして評価する必要があります。

まとめ

金属3Dプリント材料ライブラリは、従来のチタン合金、アルミニウム合金、ステンレス鋼、耐熱合金から、希少工具鋼、貴金属、銅合金に至るまで、指数関数的に増加し続けています。それらはそれぞれ、特定のハイテク用途向けに、強度、軽量化、高温性能、耐食性、導電性、熱性能、生体適合性などの特性を個別に組み合わせて提供します。画期的な技術により、従来のプロセスでは不可能だった非常に複雑な形状に材料を効率的に加工し、設計を変更し、プロトタイプ、高性能コンポーネントを作成します。

画期的な設計上の制約が課題である場合、軽量化、リードタイムの​​短縮、または難削材の加工が課題となる場合、金属3Dプリントと材料の選択がソリューションの原動力となります。材料の特性と用途を深く理解することが、創造と差別化のためのこのパラダイムシフト技術を解き放つ鍵となります。適切な金属を選択すると、無限の積層造形能力が可能になります。

これらのより高い課題に直面して、LS の3D印刷サービスあなたにとって欠かせない究極の「道具」です。工業グレードの精度、比類のない再現性、効率的な生産性を実現し、設計アイデアを完璧かつ一貫して効率的に実現できます。 LSの選択卓越した職人技に工業グレードの精密パワーを注入することです。

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