3Dプリントにはどのような金属材料が使われているのでしょうか？

金属は、優れた電気伝導性、熱伝導性、および塑性を備えた材料です。通常、金属元素または合金から構成されており、高い強度、硬度、および耐食性を備えています。 金属は、工業製造、建設、エレクトロニクス、航空宇宙の各分野で広く利用されています。その物理的、化学的、および加工上の特性により、従来の製造だけでなく、金属3Dプリンティングにおいても重要な役割を果たしています。.

現在、3Dプリンティングに使用されている金属には、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、ニッケル合金、銅合金、鉄合金などがあります。これらの材料は一般的に強度と硬度が高く、従来の機械加工では処理が難しい場合が多いため、積層造形が注目されています。 3Dプリンティング用の金属粉末には、通常、高純度、良好な真球度、狭い粒子径分布、および低酸素含有量が求められます。選択的レーザー溶融や電子ビーム溶融などのプロセスにより、複雑な形状を持つカスタマイズされた金属部品を迅速に製造することができます。.

ステンレス鋼

ステンレス鋼は、鉄、クロム、ニッケル、その他の合金元素で構成されており、クロムが主成分となっています。溶接性が良く、耐化学腐食性、耐熱性、機械的特性に優れ、食品や医薬品との接触に適した衛生的な特性を備えています。 ステンレス鋼の粉末は成形しやすく、調製も容易で、比較的安価であるため、3Dプリンティングで最も早くから使用されてきた金属の一つとなっています。.

用途としては、構造部品や荷重支持部品、配管、容器、ドア、窓、手すり、装飾製品、食品加工機器、医療機器、化学機器などが挙げられます。 金属3Dプリンティングで一般的に使用されるステンレス鋼のグレードには、オーステナイト系316Lおよび304L、ならびにマルテンサイト系析出硬化型15-5PHおよび17-4PHなどがあります。.

アルミニウム合金

アルミニウム合金は、アルミニウムに銅、亜鉛、マグネシウムなどの元素を組み合わせたものです。その具体的な特性は、添加される合金元素の種類や量によって異なります。 アルミニウム合金は、密度が低く、比強度と剛性が高く、鋳造性や可塑性に優れ、耐食性が高く、比較的高い耐疲労性を備えています。航空宇宙、輸送、建設、電気機械製品、軽工業、消費財などの分野で広く使用されています。.

金属3Dプリンティングに使用されるアルミニウム合金には、AlSi12、AlSi10Mg、AlSi7Mg、Al-Si9Cu3、6060、6061などがあります。 AlSi12は、優れた熱特性を備えた軽量粉末であり、熱交換器などの薄肉な航空宇宙・自動車部品に適しています。AlSi10Mgは、薄肉部品や複雑な形状の部品、特に優れた熱性能と軽量化が求められる用途において、高い強度と硬度を発揮します。.

チタン合金

チタン合金は、高強度と低密度、優れた靭性、耐食性、生体適合性を兼ね備えています。医療、航空宇宙、自動車分野において重要な役割を果たしています。チタンは典型的な難加工材料であり、切削性が悪く、熱間加工の際に水素、酸素、窒素、炭素を容易に吸収します。 金属3Dプリンティングは、有用な機械的特性を維持しながら複雑な構造を形成できるため、特に適しています。保護雰囲気により酸素や窒素との反応が抑制され、局所的な急速加熱・冷却によって合金元素の蒸発が抑えられます。.

3Dプリント用の現在のチタン材料には、商業用純チタン、Ti6Al4V（TC4）、およびTi6Al17Nbなどがあります。主な用途としては、航空宇宙部品や、骨や歯などの人体用インプラントが挙げられます。.

ニッケル基合金

ニッケル基合金は、650～1000°Cの温度範囲でも高い強度と耐酸化・耐熱腐食性を維持します。その機械的特性および耐酸化性・耐熱腐食性は、高温・高応力環境下での使用に適しています。 積層造形されたニッケル合金は、タービンディスクやブレードなどの航空エンジン高温部部品に使用でき、エンジンの安定性と熱効率を向上させることができます。質量比で50%チタンを含むニッケル基合金は、強い形状記憶効果を有しており、宇宙機の構造体や人工心臓のモーターに使用されています。 3Dプリント用に確立されたニッケル超合金には、インコネル625（IN625）、インコネル718（IN718）、およびインコネル939（IN939）などがある。.

コバルト系合金

コバルト系合金は、コバルトを主成分とし、ニッケル、クロム、タングステン、および少量のモリブデン、ニオブ、タンタル、チタン、ランタン、その他の添加元素を含んでいます。 その高い強度、耐食性、生体適合性により、初期の段階から人工関節に採用されました。現在では、オーダーメイドの歯科用補綴物やエンジン部品に広く使用されています。3Dプリント用の一般的なグレードには、Co212、Co452、Co502、CoCr28Mo6などがあります。.

銅合金

銅合金は、銅を主成分としています。銅には抗菌性があるため、これらの合金は医療機器や、公共施設のドアノブなど、頻繁に接触される製品に使用されています。 銅粉末はレーザーに対する反射率が高く、吸収率が低いため、長い間3Dプリントが困難であると考えられてきました。しかし近年、多くの企業が銅合金の3Dプリントに成功しています。利用可能な材料には、銅合金粉末、銅マトリックス複合材料、銅合金ワイヤなどがあります。.

液体金属

3Dプリンティングに使用される液体金属は、通常、室温で液体の状態を保つ無毒のガリウム・インジウム合金であり、これにはガリウム・インジウム合金やガリウム・インジウム・スズ合金などが含まれます。 これらは空気に触れると表面が硬化しますが、内部は液体のままです。その導電性により、液体金属製の回路基板を造形することが可能になります。.

2017年、中国科学院物理化学技術研究所の極低温・医療科学研究室は、浮遊液体金属を用いた3Dプリンティング技術を提案した。このプロセスでは、印刷材料としてガリウム・インジウムの液体合金を、支持体として自己硬化型ハイドロゲルを使用する。 ノズルから室温の液体金属が連続的に押し出され、ハイドロゲルがその形状を支え、固定する。層ごとに堆積させることで、極めて複雑で柔軟な三次元金属構造体が形成される。応用分野としては、フレキシブル3Dエレクトロニクス、ソフトロボットの組み立て、材料の封入、および生物医学などが挙げられる。.

その他の金属

金、銀、ニオブ、ジルコニウム、マグネシウム合金、その他の金属も3Dプリントが可能です。.