3Dプリンティング用金属：適切な材料を選ぶためのガイド

3Dプリンティング用金属

金属3Dプリンティングは、もはや試作ラボの域を超えています。航空宇宙産業から医療機器製造まで、幅広い業界で、従来の機械加工では実現できない形状を持つ高性能部品の製造に活用されています。技術の成熟に伴い、印刷可能な金属の種類も大幅に増加しました。適切な材料を選ぶことは、適切な機械を選ぶことと同じくらい重要です。

エンジニアや調達チームは、各材料の機械的特性、コストプロファイル、そして最適な用途を把握することで、より的確な意思決定を行うことができます。材料の選択を誤ると、部品の性能低下、コスト増加、あるいは高額な後処理が必要となり、積層造形の利点が損なわれてしまいます。構造部品、生体医療用インプラント、工具など、どのような製品であっても、材料の選択はあらゆる面に影響を与えます。

Boda Techは、さまざまな業界のメーカーと提携し、用途に最適な金属3Dプリントプロセスを見つけ出します。 カスタム3Dプリント 資源と合理的な 金属3Dプリントのコスト 選択肢を検討する際の出発点として良い場所です。

 

金属3D印刷とは何ですか？

金属積層造形は、 金属3D印刷金属粉末、金属線、または金属成形品を用いて、デジタルファイルから部品を製造します。積層造形は、材料の塊から材料を除去する切削加工とは異なり、必要な領域にのみ材料を堆積させます。これにより、無駄が削減され、従来は機械加工では不可能だった複雑な内部形状を実現できます。

粉末床溶融法、結合粉末押出法、指向性エネルギー堆積法は、最も一般的に使用されているプロセス群です。それぞれのプロセスは、材料適合性や解像度において異なる特性を持っています。選択したプロセスに応じて、使用可能な金属を選択できます。

金属3Dプリンティング：その仕組み

金属製3Dプリント格子立方体構造

粉末床溶融法は、レーザービームまたは電子ビームを用いて金属粉末を層ごとに選択的に溶融させる方法です。ビームは、金属粉末の新しい層が造形プラットフォームに塗布される前に、次の断面を溶融します。結合粉末押出法は、金属粉末を結合ポリマーと混合し、厚いペースト状に押し出し、その後オーブンで焼結して結合ポリマーを焼き切る方法です。どちらの方法も高密度で機能的な部品を製造できますが、表面仕上げ、造形時間、寸法精度、および材料の選択肢に関して、それぞれ大きなトレードオフがあります。

従来型製造法の利点

3Dプリンティング用金属は、機械加工では製造できない格子構造や有機的な形状を必要とする部品の製造に優れています。この技術は、少量生産部品や特殊品のリードタイム短縮を可能にし、機械加工ではコストがかかりすぎるインコネルやチタンなどの高価な合金を費用対効果の高い方法で製造することを可能にします。積層造形は、多くの高付加価値用途において機械加工の代替手段であるだけでなく、唯一使用可能な製造方法でもあります。

 

金属3Dプリント材料：最も一般的な05種類の金属

鋼鉄、超合金、チタンは最も広く使用されている材料の一つである。 3D印刷材料 金属積層造形用。各材料グループは、機械的特性、コスト、用途適合性のバランスが異なり、個々のグレードは特定の性能要件に基づいて選択されます。

鋼鉄

鋼は3Dプリンターで最も一般的に使用される金属の一つです。鋼は優れた強度と剛性を持つため、3Dプリンティングにおいて最も人気のある金属です。鋼の3Dプリンティングは産業界でも広く利用されており、豊富な産業知識が蓄積され、コストも比較的低く抑えられています。ほとんどの鋼種は3Dプリンティングが可能ですが、中でもステンレス鋼と工具鋼が最も人気があります。これらの鋼種は加工コストが高く、加工も困難です。そのため、積層造形はこれらの鋼種にとって費用対効果の高い選択肢となります。

ステンレス鋼

さまざまな金属製3Dプリント部品

ステンレス鋼の耐食性は、少なくとも12パーセントのクロムが含まれていることによるものです。ステンレス鋼の3Dプリンティングでは、主に2つのタイプが用いられます。

• オーステナイト系（316L）： ステンレス鋼は、最も一般的に印刷される素材であり、優れた耐食性を備えています。溶接や機械加工は可能ですが、熱処理はできません。化学処理、医療機器、船舶用機器などに適しています。
• 17-4 PH（マルテンサイト系）： 析出硬化型ステンレス鋼で、熱処理によって様々な硬度状態において幅広い機械的特性を実現できる。316Lよりも硬度と強度が高いが、耐食性は劣る。工業製造業や航空宇宙部品に広く用いられている。

工具鋼

工具鋼は、切削、研削、プレス加工などの特定の加工向けに設計されています。これらの鋼には炭化物化合物が含まれており、常温および高温において極めて高い硬度と耐摩耗性を発揮します。最も一般的な3つのグレードは以下のとおりです。

• A2： パンチ、ダイス、汎用工具など、冷間加工に適した汎用性の高い工具鋼です。靭性と耐摩耗性のバランスに優れています。
• D2 工業用ブレードやスリッターなどの冷間加工用途において、最大限の耐摩耗性を発揮するように最適化されています。
• H13 耐熱性、靭性、耐摩耗性を兼ね備えた高温用工具鋼。ダイカスト用インサートや鍛造金型に最適です。

超合金 – インコネルとコバルトクロム

金属3Dプリント部品

超合金は、熱、圧力、腐食性化学物質などによって従来の合金が破壊されてしまうような過酷な環境下でも性能を発揮します。金属3Dプリンティングは、従来の方法では製造が困難でコストもかかる超合金を、費用対効果の高い方法で製造できる手段です。

Inconel

ニッケルを主成分とする超合金であるインコネルは、鋼鉄が構造的完全性を失うような高温下でも、極めて高い強度、靭性、耐食性を発揮することで知られています。インコネル625は熱疲労や酸化に対する耐性が高く、インコネル718は強度と靭性に優れています。ガスタービン、ジェットエンジンのシール、排気部品、ロケット部品など、様々な用途でこれらの合金が使用されています。

コバルトクローム

コバルトクロムは、高い強度対重量比、生体適合性、耐食性を兼ね備えています。構造的な信頼性と生体適合性の両方が求められる用途において、チタンよりも高密度で高性能な代替材料として利用できます。コバルトクロムは、タービン、産業環境、医療機器など、幅広い用途に使用可能です。

チタン

チタンは、優れた強度対重量比を持つ素材ですが、従来の製造方法では原材料費と加工費が高額になります。そのため、積層造形が有力な選択肢となります。チタンの3Dプリンティングは材料費の削減につながり、その形状の自由度の高さは、チタン部品の製造コストが高くても正当化されることが多いです。チタンは主に2つの形状でプリントできます。

• Ti-6Al-4V: 積層造形において最も一般的に使用されるチタン合金です。17-4 PHよりも約40%軽量でありながら、同等以上の強度を有しています。腐食環境や高温に対する耐性にも優れています。軽量化が重要な役割を果たす航空宇宙構造物、自動車部品、産業用ハードウェアなどに使用されています。
• 商業用純チタン: Ti64よりも強度は劣るものの、加工条件に関わらず生体適合性に優れている。整形外科用インプラント、骨ねじ、その他生体統合が重要な医療機器に使用される。

チタンは、重量対性能比が設計要件を左右する3Dプリント金属部品を製造するあらゆるエンジニアリングチームにとって、中核となる材料である。

銅

銅は、積層造形において特別な位置を占める金属です。その機械的特性よりも、熱伝導性と電気伝導性の高さが主な理由で選ばれています。金属3Dプリンティングを用いることで、エンジニアは、機械加工や鋳造では製造が非常に困難な、形状が最適化された銅部品を製作することが可能になります。ヒートシンク、バスバー、誘導コイル、溶接電極などがその用途例です。

• 純銅： 銅のあらゆる種類の中で、熱伝導率と電気伝導率が最も高い。ただし、レーザー反射率が高いため、標準的なPBFレーザーシステムには対応していない。粉末押出成形機でのみ印刷可能。
• 銅合金（例：C18150）： 銅合金には、クロムや亜鉛などの合金成分が1～2％含まれており、これによりレーザー反射率が低下し、特定のPBF（粉末床溶融結合）方式の印刷が可能になります。銅合金の導電率は純銅より低いものの、他の金属グループよりは優れています。

アルミ

アルミニウムの3Dプリンティングは、従来の製造方法に比べてはるかに普及していません。これは主に、最も一般的に使用されている鍛造グレードである6061と7075が、標準的なPBFシステムでは印刷できないためです。シリコン含有量が最大12%の鋳造グレード合金は印刷可能ですが、鍛造合金に比べて機械的特性が劣ります。また、標準的なアルミニウムの機械加工コストが比較的低いため、アルミニウムの3Dプリンティングの投資対効果（ROI）は、他のほとんどの金属よりも低くなっています。

連続繊維複合材の3Dプリントは、アルミニウムと同等の強度を持つ部品を必要とするエンジニアリングチームにとって優れた選択肢です。剛性、疲労耐性、耐衝撃性も向上させることができます。アルミニウム積層造形に着手する前に、この代替案を検討してみてください。

金属3Dプリント材料比較表

材料	体を強くする	重量	耐食性	Biocompatiblへ	最適な使用例
ステンレス鋼316L	高品質の	The Medium	素晴らしい	いいえ、	医療、海洋、化学
17-4 PH ステンレス鋼	すごく高い	The Medium	グッド	いいえ、	ハードウェアおよび産業用工具
H13工具鋼	非常に高い	The Medium	穏健派	いいえ、	熱間加工用工具、金型
インコネル718	すごく高い	高いメディア	素晴らしい	いいえ、	航空宇宙用タービン
コバルトクローム	すごく高い	高品質の	素晴らしい	はい、	航空宇宙用インプラント
Ti-6Al-4V	高品質の	低価格	素晴らしい	条件付きの	航空宇宙、自動車
CPチタン	穏健派	低価格	素晴らしい	はい、	医療用インプラント
純銅	低価格	高品質の	グッド	いいえ、	ヒートシンクと熱伝導体
アルミニウム（鋳造用）	穏健派	とても低い	穏健派	いいえ、	軽量素材で作られた筐体

 

最適な金属3Dプリント材料は何ですか？

 新しくプリントされた金属製インペラ 

プロジェクトの要件を、機械的性能、環境暴露要件、生体適合性要件、そして総予算という4つの側面から理解することで、最適な材料を選択することができます。これは、試作品から量産へと移行する際にチームが陥りがちな、費用のかかるミスです。

材料とアプリケーション環境のマッチング

部品が高温や化学的に腐食性の高い環境にさらされる場合は、超合金の使用を検討すべきです。チタンは、重量が重要な構造部品において最も強度が高い材料です。工具鋼またはステンレス鋼は、一般的な産業用ハードウェアや工具において最もコスト効率の高い材料です。銅は、現代の電子機器や電力システムが要求する熱管理部品を提供できる唯一の金属です。

後処理要件を考慮する

最終的な機械的特性を得るためには、いくつかの材料はさらなる加工を必要とします。H13や17-4 PHなどの材料は熱処理が必要です。超合金やチタン部品の内部気孔を埋めるために、熱間等方圧プレス（HIP）が用いられることがよくあります。シール面やベアリング界面には、表面仕上げが必要となる場合が多くあります。これらの工程は、プロジェクトの時間とコストを増加させる可能性があります。材料選定の際には、これらの工程を後回しにすべきではありません。 

インコネルやチタンなどの材料の場合、内部の気孔を閉じ、必要な機械的強度を得るために、熱処理や熱間等方圧プレスが必要になることがあり、これには時間とコストの両方が加算されます。一方、ステンレス鋼部品は、通常、シールやベアリングの接合部の要件を満たすために、研磨やビーズブラストなどの表面仕上げのみが必要です。設計を最終決定する前に、各材料のこうした後処理の必要性を理解しておくことで、生産工程の後半で予期せぬ追加工程が発生することによる予算超過や遅延を回避できます。

コストとパフォーマンスのバランス

鋼は超合金よりも安価です。しかし、チタンや超合金は製造・加工コストが高くなります。予算重視のプロジェクトでは、材料選定と並行して金属3Dプリンティングのコスト分析を行う必要があります。最もコストパフォーマンスに優れているのはステンレス鋼316Lで、様々な用途に使用できます。特別な要件でより高性能な材料が必要な場合を除き、この材料を標準として採用すべきです。

金属用 自動車部品の3Dプリント

自動車産業は、他の産業分野よりもはるかに大規模に金属積層造形技術を採用している。これは、軽量構造部品や複雑な形状の冷却チャネルに対する需要が高いためである。最適化された形状のブラケットも高い需要がある。重量に敏感な構造部品に適した材料としては、アルミニウム合金やチタン合金などが挙げられる。金型や治具には工具鋼が使用される。 

吸気マニホールドと排気マニホールドの製造は3Dプリンティングで行うことができます。カスタムブラケットアセンブリ、製造ツール、サスペンションハードウェアなども製造可能です。その結果、部品点数の削減、組み立て工程の短縮、そして車両プログラム全体における性能対重量比の顕著な向上が実現します。

 

金属3Dプリント材料を選ぶ際によくある間違い

よくある選定ミスを避けることで、生産の遅延を防ぎ、コストを削減できます。

• すべての合金が均等に印刷される場合、 同じ種類の教材であっても、すべてのグレードが印刷可能とは限りません。 最も一般的に使用されている鍛造アルミニウム合金である6061と7705は、標準的なPBFシステムとしては入手できません。
• 費用見積もりには、後処理費用は含めません。 インコネルやチタンなど、多くの材料は、印刷後に熱処理や仕上げ加工が必要となります。これらの費用は予算編成時に見落とされがちで、生産段階で大幅なコスト超過につながることがあります。
• 材料グレードを過剰に指定する： 316Lで同等の性能が得られる場合にインコネルを使用すると、材料費と加工費が増加します。材料は、入手可能な最高仕様ではなく、環境に応じて選択する必要があります。
• 積層造形における設計最適化をスキップする： 3Dプリントされた金属部品は、機械加工では不可能な形状を実現できます。機械加工部品を積層造形用に再設計せずに置き換えるだけでは、コスト競争力に欠け、この技術の核心的な価値を活かすことができません。

結論 

金属3Dプリンティング材料は、特性、価格、用途において多様です。銅は、熱特性と電気特性を最適化した設計を可能にします。アルミニウムは、重量が重要な用途、特に印刷上の制約が許容される用途に使用されます。適切な材料を適切な用途に適合させるには、機械的特性、プロセス適合性、後処理の必要性、および総コストを評価することが重要です。

Boda Techは、エンジニアリングチームと調達チームがプロジェクトに最適な材料、プロセス、製造方法を選択できるよう支援します。初めて金属積層造形部品を製造する場合でも、既存のワークフローを拡張する場合でも、当社の 3Dプリントサービス 材料選定、設計サポート、製造までを網羅しています。カスタム3Dプリントのページをご覧いただくか、弊社チームまでお問い合わせください。プロジェクトについてご相談させていただきます。

 

よくある質問

3Dプリンティングで最も一般的に使用される金属は何ですか？また、その理由は？

積層造形において現在最も一般的に使用されている金属は、鋼（特に316Lステンレス鋼と17-4 PH）、チタン（Ti-6Al-4V）、コバルトクロム（クロム）、銅、鋳造用アルミニウム合金などである。中でも鋼は、コスト効率の良さと幅広い産業分野での汎用性の高さから、最も人気のある金属となっている。

3Dプリントされた金属の中で最も強度が高いものは何ですか？

最も硬い鋼は工具鋼です。特に、H13とD2は熱処理されています。インコネル718は、高温下で優れた引張強度を発揮する構造用合金です。Ti-6Al-4Vなどのチタン合金は、強度対重量比で最も優れています。最適な鋼材は、降伏強度、硬度、疲労性能、高温性能など、測定する項目によって異なります。

金属3Dプリンティングはどれくらい費用がかかりますか？

金属3Dプリンティングは、単純な形状を大量生産する場合、従来の機械加工よりも部品あたりのコストが高くなります。一方、インコネルやチタンなど、複雑な形状や加工が難しい合金の場合は、積層造形の方がコスト効率が良い場合が多いです。最終的なコストは、材料の選択、加工方法、後処理によって大きく左右されます。そのため、事前にコストを予測しておくことが重要です。

金属はプラスチックよりも強いのか？

はい、ほぼすべての構造用途においてそうです。金属3Dプリント部品は、同じ合金で機械加工された部品と同等かそれ以上の機械的特性を備えています。連続繊維複合材の3Dプリントはアルミニウムレベルの強度を実現できますが、高温または高負荷条件下では高性能合金に匹敵することはできません。荷重がかかる用途、摩耗が激しい用途、または熱負荷の高い用途に使用できるのは金属だけです。