3Dプリンティングパウダーとは？

アディティブ・マニュファクチャリング（AM）のより商業的な名称である3Dプリンティングは、1940年代にマレー・ラインスターによって初めて言及された。3Dプリンティングは世界の製造市場の1%にも満たないが、従来の製造と比較するとその利点により、3Dプリンティング市場は3年ごとにほぼ倍増している。世界の3Dプリンティング市場は、2022年から2030年にかけて毎年20.8%の成長が見込まれている[1]。3Dプリンティングは、ヘルスケア、自動車、航空宇宙、防衛など幅広い分野で応用されており、今後最も注目される製造方法の1つであることは間違いない。

3Dプリンティングには7つの部門がある：光重合、材料噴射、材料押出、バインダー噴射、粉末床融合、シート積層、直接エネルギー堆積。最後の4部門はすべて3Dプリンティングパウダーを原料としています。

3Dプリンティングパウダーとは？

3Dプリンティングパウダーとは、3Dプリンティングで使用される粉末のことです。通常、金属、合金、セラミック、ポリマーでできています。

3Dプリンティングパウダーは形状によって2つのグループに分けられます。球状の3Dプリンティングパウダーは流動性が良い。つまり、球状の3Dプリンティングパウダーはより均一に広がり、均質な層を作ることができるため、より強度の高い部品を作ることができる。しかし同時に、球状の3Dプリンティングパウダーは不規則なパウダーよりも高価です。

3Dプリンティングパウダーはどのように製造されるのか？

ほとんどの実験では、水アトマイズやガスアトマイズなどのアトマイズによって3Dプリンティングパウダーを製造しています。

水アトマイズ（WA）

アトマイズは、原料の合金や金属（どんな形状でも可）を炉で溶かすことから始まる。その後、溶融液が均一になるようにしばらく保持する。その後、流量を制御できる耐火性ノズルを備えたルツボに液体を移す。ノズルを開き、液体を霧化チャンバーに入れる。液体は自由に落下し、高速ジェット水流によって冷却、微粒化、固化される。最後に、粉体をチャンバーの底に集めることができる。この後、粉体を乾燥させる工程が必要になる。

水アトマイズで生成された粉末は通常不規則で、3Dプリントには使用されません。

ガスアトマイズ（GA）

ガスアトマイズは、霧化プロセス以外は水アトマイズに似ています。高圧ガス流（通常は不活性ガス）を使用して粉末を霧化します。ガスの比熱容量は水の比熱容量より小さい。液滴が冷えて固まるまでに時間がかかる。その結果、ガスアトマイズによって生成される粉末はより球状になる。しかし、粉末の直径をうまく制御するのは難しく、0～500μmの範囲である。すべての工程で不活性ガスを使用しても、溶解液を炉からるつぼに移す際や、その他の工程でコンタミネーションが起こる可能性があります。

電極誘導溶解ガスアトマイズ (EIGA)

電極誘導溶解ガスアトマイズ（EIGA）は、ガスアトマイズに基づいて開発されました。EIGAは、るつぼを使用して溶解金属液を覆う代わりに、回転する金属棒を原料として使用し、誘導熱によって溶解させます。溶解ロッドは直接アトマイズチャンバーに落下することができる。

EIGAは、より小さな粒子範囲の粉末を製造することができ、徐々にTi-6Al-4Vのような活性合金粉末を製造する主な方法となっている。

プラズマアトマイズ（PA）

プラズマアトマイズ（PA）は、プラズマを熱源として、粉末状またはワイヤー状の原料を溶融する。原料がプラズマに触れると、不活性ガスジェットによって溶融と霧化が同時に行われます。以下のステップはガスアトマイズと同じである。

プラズマアトマイズは、より球形でより小さなサイズの粉末を製造することができる。

表1は 、上記の4つのアトマイズ方法の概要を示しています。

3Dプリンティングパウダーはどのように使用されるのか？

3Dプリンティングパウダーは、主にパウダーベッドフュージョンやバインダージェッティングなどのパウダーベッドベースの3Dプリンティング技術で使用されます。これらの技術の主な原理は、3Dプリンティングパウダーを使用してコンポーネントを層ごとに構築することです。このレイヤー・バイ・レイヤー・プロセスにより、従来の技術に比べ、より複雑でカスタマイズされた製品を作ることができる。

ローラー／リコーターが、デリバリーシステムからパウダー（通常は球状チタンパウダーのような金属またはポリマー球状パウダー）を取り出し、ベースプレート上に均一な薄い層を広げます。その後、レーザービームが粉末を選択的に融合させる。薄い層が形成されると、ビルド・プラットフォームは層の距離だけ下に移動し、デリバリー・システムは層の距離だけ上に移動して、この繰り返しを続ける。これをパウダーベッドフュージョンと呼ぶ。

また、粉末を結合させるためにバインダーを使用する技術もある。パウダー・ベッド・フュージョンとよく似たプロセスもある。これはバインダージェットと呼ばれる。

パウダーは、薄い層を形成するためにプレート上に広がる原料である。より強靭で詳細な部品を得るためには、粉末のパラメータが本当に重要である。不規則なパウダーは均質で高密度の（多孔質の少ない）層を形成することができず、3Dプリンティングが印刷中にクラッシュしても低密度のコンポーネントにつながります。球状パウダーは性能が良いが、コストも高くなる。粒子が小さいパウダーはより薄い層を形成することができ、言い換えれば、同じ厚さの層により多くのパウダーが消費される。この層は、粒子が大きいパウダーで作られた層よりも細かく繊細です。20μm以下のパウダーを使用する場合は注意が必要である。この種のパウダーには特別な技術が必要です。

詳しくはスタンフォード先端材料ホームページをご覧ください。

参考文献

1.3D Printing Market Size & Share Report, 2022-2030.(n.d.).2022年12月7日、https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/3d-printing-industry-analysis から取得。