3Dプリントチタンサービス

Wstitaniumが提供する3Dプリントソリューションには、DMLS、EBMが含まれます。最終用途向けの完成部品として、完全に機能するチタンプロトタイプとカスタムチタン部品を7日以内に製造します。

チタン部品の3Dプリントサービス

チタンは加工が難しい金属であり、特に CNC加工まず、チタンは熱伝導率が低いという欠点があります。これは、例えばCNC工作機械でフライス加工を行うと、発生した熱が工具に蓄積されることを意味します。その結果、工具が急速に摩耗する可能性があります。さらに、機械加工は材料を切断して除去する作業を伴うため、多くの材料廃棄物が発生する可能性があります。そのため、多くの企業がチタン部品を製造するためのより良い代替ソリューションを模索しています。チタンの金属3Dプリントは、現実的な代替手段であることが証明されています。最も一般的に使用されているチタングレードはTi6Al4V（Ti64）です。Ti64に加えて、純チタンも3Dプリントに使用できます。

チタン3Dプリントワークショップ

3Dプリントチタンの利点

3Dプリントチタンは、小中ロットで経済的に製造できます。部品の複雑さにコストが左右されないため、CNCフライス加工、旋削加工、鋳造といった方法に比べて費用対効果の高い選択肢となります。高価な工具や複雑な特殊ソリューションに頼ることなく、3Dプリンターと金属粉末さえあれば、チタン製品を成功裏に製造できます。

材料の無駄を削減

CNC加工などの従来の切削加工プロセスと比較して、3Dプリントは材料廃棄物をほとんど発生させない積層造形技術です。製造工程で残ったチタン粉末は、次のプリントに再利用できます。さらに、チタン3Dプリントは最終的な形状に非常に近い部品を製造できるため、大掛かりな後処理の必要性が減り、廃棄物をさらに削減できます。

設計の最適化

3Dプリンティングは、従来の方法では製造が困難、あるいは不可能だった複雑で軽量な構造を持つ部品を作製できます。つまり、強度と機能性を維持しながら、使用する材料を削減できるのです。エンジニアが設計最適化を実現する方法の一つとして、CADソフトウェアにおけるトポロジー最適化が挙げられます。トポロジー最適化は複数の部品をXNUMXつのプリント部品に統合することで、組み立て時間、人件費、そして潜在的な故障箇所を削減します。

ツールやセットアップコストは不要

チタン部品の鋳造またはCNC加工には、金型や治具などの専用工具が必要です。3Dプリントでは、部品がデジタルファイルから直接印刷されるため、追加の工具は不要です。部品設計の変更も新しい工具を必要とせず迅速に行えるため、設計変更に伴うコストを削減できます。

リードタイムの短縮

Wstitaniumは自社製の金属3Dプリンターを使用しており、部品1個の納品はわずか3日で完了する場合があります。一方、CNC加工や鋳造にはさらに時間がかかる場合があります（前述の通り、工具や治具の助けが必要です）。XNUMXDプリントサービスは製造時間が短く、在庫を持たずにオンデマンドで部品を注文できます。これにより、資本リスクが大幅に軽減されます。

カスタマイズと柔軟性

3Dプリントは、再組み立てなしでカスタムパーツを作製できるため、小ロット生産やカスタマイズ製品の生産が容易になり、コスト効率も向上します。さらに、運用コストも削減できます。例えば、患者固有の手術器具などが挙げられます。

エネルギー効率

電子ビーム溶融法 (EBM) や選択的レーザー溶融法 (SLM) などの 3D プリントチタンサービスは、特に後処理や材料リサイクルの必要性が減ることを考慮すると、CNC 加工よりもエネルギー効率が高くなります。

Wstitanium社内3Dプリント技術

2019年以降、WstitaniumはDMLM、DMLS、LPBF、LMFなどの金属2Dプリント技術に3万ドル以上を投資してきました。その中でも、レーザー粉末床溶融結合（LPBF）が最も一般的です。

DMLS

直接金属レーザー焼結法（DMLS）はレーザー焼結技術（SLS）に似ていますが、ポリアミドの代わりに微細チタン粉末を使用して層ごとにモデルを構築します。3Dプリンター内にチタン粉末の薄い層が敷かれます。この層はその後、非常に強力なレーザーによって焼結・固化され、パーツの最下層になります。レーザービームは粉末で満たされた箱の上を移動します。各層が完成するごとに、新しい粉末層が塗布されます。このプロセスが繰り返されます。3Dプリンターからパーツを取り出し、焼結されていない粉末を取り除きます。ほとんどの場合、パーツの周囲にはチタン製の3Dプリントサポート構造が存在します。これらのサポートは、非常に強力な丸鋸などのツールを使用して手動で取り除く必要があります。サポートを取り除いた後、サポートの痕跡を手作業で研磨する必要があります。その後、パーツ全体を研磨するなどの仕上げ工程が必要になる場合があります。

電子ビーム溶解

EBM（電子ビーム溶解法）とは、電子ビームをチタン粉末の層に照射し、それを溶かして前の層と融合させる方法です。EBMでは、真空下で高エネルギー電子ビームを用いてチタン粉末を溶解します。電子ビームはチタン粉末の層の上をスキャンし、デジタル設計に従って層ごとに材料を溶解・固化します。EBMはDMLSよりも高精度であると考えられており、小型で複雑なチタン部品の製造に適しています。EBMは、チタンを空気中で加熱する場合によく問題となる酸化を真空環境が防ぐため、チタンの反応特性を制御するのに特に効果的です。また、電子ビームは焦点と出力を動的に調整できるため、溶解プロセスを正確に制御することができ、これはチタン部品の性能と構造的完全性を維持するために非常に重要です。

一方、EBMプロセスは真空下かつ高温で行われるため、3Dプリント部品の残留応力が最小限に抑えられ、3Dプリントされたチタン部品は後工程での熱処理を必要としません。

3Dプリント用チタン合金グレード

3Dプリントで最も一般的に使用されるチタングレードは、Ti6Al4V（Ti64）合金です。Ti64に加えて、純チタンも3Dプリントに使用できます。3Dプリント技術の発展に伴い、材料メーカーは3Dプリントに適したさまざまなチタン粉末を製造しています。これらの金属粉末は、均一な粒子サイズと形状になるように慎重に設計されており、プリントベッド上の流動性と充填密度が向上します。この強化により、より滑らかで詳細な印刷が可能になり、介在物と気孔が低減されるため、機械的特性が向上します。ほとんどのチタン3Dプリントでは、純チタンではなく、チタン合金（チタンと他の元素の合金を含む金属材料）が使用されます。使用されるチタン合金の種類は、特定の3Dプリントアプリケーションによって異なります。一般的な種類をいくつか下の表に示します。

合金	学年	説明	アプリケーション
Ti-6Al-4V	5	3Dプリント用として最も一般的かつ重要なチタン合金。優れた重量強度、耐腐食性、生体適合性を備えています。	航空宇宙部品、自動車部品、外科用器具、医療用インプラント
Ti-6Al-4V-ELI	23	このより純粋なチタン合金は「超低格子間原子」を有しており、グレード5よりもわずかに弱いが、生体医学用途には適している。	手術器具、医療用インプラント
Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo		高強度で優れた耐食性を備えたニアアルファチタン合金	航空宇宙部品、航空部品、海洋部品
Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr		高い強度と靭性を持つベータチタン合金は、機械加工性が低いため、3Dプリントに適している。	産業用部品

チタングレード5 6Al-4Vは、積層造形で最も一般的に使用されているチタン合金で、航空宇宙、自動車、軍事分野の試作品や機能部品に最適です。また、複雑な形状と精度を備えた部品や生産ツールの製造にも優れた材料です。チタングレード23 6Al-4Vは、医療用インプラントや義肢によく使用される生体適合性合金です。ベータ21Sグレードチタンは、Ti-6Al-4Vなどの従来のチタン合金よりも強度が高く、Ti-15V-3Crなどの従来のチタン合金よりも耐酸化性と耐クリープ性に優れています。すべてのチタン合金の中で、グレード21チタンは水素吸収効率が最も低く、整形外科用インプラントや航空宇宙エンジン用途に最適です。ベータチタンは歯科矯正に広く使用されています。Cp-Ti（純チタン）グレード1および2は、人体との生体適合性のため、医療分野で広く使用されています。 TA15は、アルミニウムとジルコニウムを添加したニアアルファチタン合金です。TA15製の部品は、高い比強度、高い耐荷重性、耐熱性を備えているため、航空機やエンジン製造における重量部品に使用できます。

3Dプリントチタン部品の表面処理

Wstitaniumは、特殊な表面仕上げを施したチタン部品を提供しています。後加工時に、強度、耐錆性、金属導電性などのオプションをチタン部品に追加できます。Wstitaniumのチタン3Dプリントサービスでは、ショットピーニング、電解研磨、CNC加工、熱処理など、様々な表面処理が可能です。

サンドブラスト

サンドブラストは、部品の表面から欠陥、ピット、錆、その他の汚染物質を除去することができます。サンドブラストは、コーティング前の部品の下地処理によく使用されます。サンドブラストには、マイクロサンドブラスト、ブラシブラスト、ビードブラストなど、様々な方法があります。サンドブラストでは、スチールグリット、炭化ケイ素、軽石などの研磨剤が使用されます。

ショットピーニング

ショットピーニングは、部品の強度を高め、応力分布を低減します。ショットピーニング工程では、部品に複数のショットを照射することで、部品の表面に変形が生じます。この工程により、圧縮応力層が形成されます。

光学研磨

光学研磨は費用対効果が高く、明るい表面効果をもたらします。光学研磨は、部品の表面に微細仕上げまたは超仕上げを施し、その後の加工工程の準備を整えます。光学研磨プロセスは、少量生産で公差に依存しない形状のプロジェクトに最適です。

電解研磨

電解研磨は、金属部品に鏡面仕上げを施すだけでなく、更なる仕上げの前処理にも使用できます。この工程では、部品を銅または鉛の陰極を含む電解溶液に浸します。溶液に電流を流すことで、部品の表面を滑らかにします。

電気めっき

電気めっきは部品の外側に金属層を追加することで、強度と耐久性を向上させます。電気めっきでは、金属を電解液に溶解し、部品の表面に移します。電気めっきプロセスで使用される最も一般的な金属には、銅と亜鉛があります。

CNC仕上げ/機械加工

CNC加工により、耐摩耗性、金属導電性、強度、耐錆性などが向上します。CNC仕上げにより、部品の外観が向上し、最終コーティングの準備が整います。仕上げには、粉体塗装、サンドブラスト、不動態化処理、陽極酸化処理などが含まれる場合があります。

熱処理

熱処理は、チタンの強度や靭性といった機械的特性を向上させます。これは、高い応力を受ける部品にとって非常に重要な工程です。

チタンTiAl4V熱処理	値
降伏強度 Rp 0.2%	950-1050 MPa
最大引張強度 Rm	1000-1150 MPa
破断伸び	9-15％
ヤング率	105〜125 GPa
相対密度	99.5%

熱間静水圧プレス (HIP)

HIP処理はチタン部品の内部気孔を除去し、密度と強度を高めます。この処理では、チタン合金をアルゴン雰囲気中で1000℃に60分間加熱し、その後ゆっくりと冷却します。

チタン TiAl4V HIP	値
降伏強度 Rp 0.2 %	870-950 MPa
最大引張強度 Rm	950-1050 MPa
破断伸び	13-16％
ヤング率	成績平均点105～125
相対密度	99.5%

3Dプリントチタン部品の応用

3Dプリントチタン部品は、製造業において大きな注目を集めています。チタン3Dプリントは、軽量かつ高強度で革新的な（多くの場合、カスタマイズ可能な）設計の製品を提供することを目指しており、複数の分野で常識を覆しました。3Dプリント部品の最も重要な応用分野は、航空宇宙、医療、自動車、自転車／レーシング、化学、海洋などです。

医療

チタンは毒性がなく、強度と耐腐食性に優れているため、整形外科用インプラントや歯科用インプラントの魅力的な素材です。医療機器メーカーが製造能力に3Dプリントサービスを取り入れるにつれ、米国FDAに承認されたチタンベースのプリント外科用インプラントの数は増え続けています。3Dプリントと組み合わせることで、医療機器メーカーは複雑な多孔質構造を持つインプラントを製造できます。特に、これらの構造は人間の骨の構造を模倣しているため、骨細胞はそれを成長の足場として認識します。医療業界では、チタン本来の生体適合性と優れた機械的特性のため、3Dプリントチタンインプラントは脊椎、股関節、膝関節、四肢の用途で成功を収めています。さらに、カスタマイズされた多孔質構造を3Dプリントする機能（したがって骨の統合を実現）とマスカスタマイゼーション機能により、患者への治療効果が向上します。

2023年、英国ノースミッドランズ大学病院で治療を受けた患者のためにWstitaniumが3Dプリントした手首と足首の置換部品が医療関係者と患者から高い評価を受けました。

航空宇宙産業

チタンの強度対重量比により、従来の材料で作られたものよりも軽量で耐久性に優れた複雑な部品の製造が可能になり、航空機の燃費が向上するだけでなく、飛行中の極度のストレスにも耐えられるようになります。航空宇宙業界では、一部のチタンベースの 3D プリント製造部品が現在商業および軍事用途で使用されており、他の多くのプロトタイプは連邦航空局から認証を取得するプロセスにあります。3D プリントされたチタン部品は、航空宇宙用語で初期材料の重量とプリント部品の重量の相関関係を指す「buy to fly」比率が低いことで高く評価されています。3D プリントされたチタン部品は、高負荷構造の軽量化に役立ち、ジェットエンジン、ガスタービン、および多くの機体部品に最適です。

例えば、リープヘルはブラケットの重量を29%削減し、剛性を向上させました。航空宇宙サプライヤーのリープヘル・エアロスペース＆トランスポーテーションSASは、3年にエアバスA350 XWB向けに2023Dプリントチタン製前脚ブラケットの量産を開始する予定です。このブラケットは、3Dプリントチタンを使用して製造されるエアバス初の部品となります。

自動車

自動車業界は、航空宇宙業界や医療業界に比べ、チタン3Dプリントの導入が遅れています。同様のメリットを提供するにもかかわらず、消費者向け自動車市場はコスト意識が非常に高く、この高価な素材をほとんどの車両で使用することは制限されています。3Dプリントされたチタン部品は、カスタムメイドの高性能車の開発を促進します。メーカーは、ギアやブラケットなど、軽量でありながら強度の高いチタン部品を製造できるため、車両全体の重量を軽減し、性能を向上させることができます。この用途は電気自動車分野で極めて重要であり、車両重量を軽減することで効率とバッテリーの航続距離を大幅に向上させることができます。現在、チタン3Dプリント部品は、重量と性能が重要な要素となるレーシングカーや高級車で広く使用されています。

自動車分野におけるチタン3Dプリントの最も顕著な例の一つは、ブガッティがスーパーカー「ブガッティ・シロン」向けに開発したブレーキキャリパーです。ブレーキシステムの重要部品であるこのブレーキキャリパーは、41 x 21 x 13.6cmの大きさで、DSLM技術を用いて3時間で45Dプリントされました。完成した部品は、機械加工されたアルミニウム製の代替品と比べて約40%軽量化されたと言われています。2022年には、Wstitanium社が英国のオックスフォード・ブルックス大学の学生チームのF50マシン向けにチタン製エキゾーストパイプを設計し、XNUMX%の軽量化を達成しました。

自転車

3Dプリントチタンは、軽量化と高強度化が不可欠な今日の高性能バイクにおいて、ほぼ当たり前の素材となっています。レースタイムの決定的な数秒を左右し、新たなデザインジオメトリを可能にする軽量オールチタンフレームは、従来の400アルミニウムバージョンよりも7075グラム軽量です。チタンはクランク、ブレーキレバー、ステム、ディレイラーハンガー、さらにはフレーム全体にも使用されており、アルミニウムと同等の強度とカーボンファイバーと同等の軽量性を実現しながら、カーボンファイバーの持続可能性という課題に直面していません。3Dプリントチタンは、ライダーの好みに合わせてバイクをカスタマイズするのを可能にし、フレームには塗装やコーティングは不要です。

Wstitaniumは3年にチタン2024Dプリントへの取り組みを強化し、3Dプリント技術を用いてチタン製自転車フレームと部品を製造し、年間2,000個以上の生産を計画しています。チタン部品は様々な自転車モデルに使用され、より強度が高く、軽量で、耐久性に優れたチタン製自転車製品をお客様に提供することを目指します。

3Dプリントチタン部品の設計最適化

チタンは、Wstitanium社が開発した3Dプリント材料の中で、群を抜いて強度が高い材料です。この材料で3Dモデルを設計する際にも、その強度を実感していただけるでしょう。お望みの高品質なチタン3Dプリントを実現するために、以下の簡単なヒントをぜひご活用ください。

壁の厚さ: 「壁」の最小厚さは0.4mmまで薄くできます。ほとんどの材料では、この値は通常1～3mmです。Wstitaniumでは、チタン部品の最小壁厚さを1mm以上にすることを推奨しています。

詳細サイズDMLSプリンターを使えば、非常に微細なディテールをプリントできます。モデルの壁とディテール面の間の距離はわずか0.25mmです。

精度チタン金属の熱膨張と収縮により、3Dプリントされた造形物は元の設計より若干大きくなったり小さくなったりする場合があります。しかし、DMLSは金属3Dプリントにおいて最も寸法精度の高いプロセスです。チタン合金の場合、精度は通常2%未満です。

ジオメトリ直角や直線は、有機的な形状や自由曲面に比べて見栄えが劣る傾向があります。35°未満の角度では表面品質が低下する傾向があります。35°を超える急角度では、より細かく滑らかで、見栄えの良い表面が得られる傾向があります。メッシュ形状の部品を製造するには、DMLSが最適です。

3Dプリントチタンパーツギャラリー

Wstitaniumは、自転車、航空宇宙、医療など、様々な分野向けに3Dプリントチタン部品を製造しています。チタン（TiAl 6 V 4 ）は、非常に強度が高く、軽量で、耐腐食性に優れた金属材料です。3Dプリントとは、チタン粉末をレーザーで焼結し、機械加工されたモデルと同等の品質の部品を製作することを指します。3Dプリントされたチタン（未研磨）は、従来の光沢のある切削チタンとは異なり、やや粗く、明瞭さに欠けるマットグレー仕上げ、またはわずかに反射するサテン仕上げとなります。

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チタンワークショップ