技術紹介

西面 由夏*SAIMEN Yuka

1. はじめに
3D プリンティング技術（AM：Additive Manufacturing）
は、切削加工、塑性加工等に次ぐ第3の加工法とされ、複雑構造を有する高機能製品の開発や金型等を効率的に製造する次世代技術として、航空・宇宙、自動車、エネルギー、生体材料等、様々な分野で技術開発が活発化している。当初は樹脂造形に限定されていたが、レーザーや電子ビームといった高エネルギーの熱源を用いる造形装置の開発に伴
い原料に金属粉末を用いた造形が可能となり、産業部品の作製に金属3D プリンティングの適用が広がっている1)。
本稿では、金属3D プリンティングに関する技術・応用事例について、“粉末”の観点から紹介する。
最初に金属3D プリンティングへ求められる特性を整理したうえで、その粉末製造方法として広く知られているガ
図 1 パウダーベッド方式の模式図

スアトマイズ法に関して工法と特徴を紹介し、3D プリン

図1 パウダーベッド方式の模式図

ティング技術との適合性を解説する。後半では当社製品鋼種例を紹介する。

2. 3D造形用粉末に求められる特性
3D プリンティングに求められる特性を粉末の観点から考えた場合、下記の5点が挙げられる。
①流動性、②拡がり性、③充填性2)、④適切な粒度分布、および合金成分の⑤不純物が少ないことである。
① 流動性
3Dプリンティングに一般的に用いられる手法として、粉末床溶融結合法（パウダーベッド）と指向性エネルギー積層法（デポジション）がある。図1、2にそれぞれの模式図を示す。パウダーベッド方式では、金属粉

図 2 図2
デポジション方式の模式図
デポジション方式の模式図

末をタンク等の粉末供給部からリコータと呼ばれるブ*

レード・刷毛等で積層造形部へ引き伸ばすことで、粉末デポジション方式は、肉盛溶接に類似しており、金属粉を薄く一定厚さで敷き詰める。その後、積層造形部内の末を供給しながらレーザーを照射し溶融金属を堆積し、必要部位へ熱源を当て、選択的に溶融させて造形する。

ノズルを3次元的に移動させることで造形物を積み上げ

粉末事業部

粉末技術部

技術2グループ

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3D

‌プリンティング小特集

3D プリンティング用粉末に求められる特性と適用合金

3Dプリンティング用粉末に求められる特性と適用合金る。
このように3D プリンティングでは、タンクからの原料粉末の供給やノズルからの噴射など粉末を搬送する機構が多く、これらを安定的に行うために流動性の高い粉末が求められる。
② 拡がり性
パウダーベッド方式では粉末を引き伸ばした際の、粉末の敷き詰め方が、造形物の品質へ大きく影響する。敷詰不良（非充填部）が発生した場合には欠陥の原因となる。そのため均一な拡がり性を有する粉末が求められる。

図 図3
3 ガスアトマイズ粉末の外観例（Ni基超合金）
ガスアトマイズ粉末の外観例（Ni 基超合金）③ 充填性
造形体の高密度化や、原料粉末が溶融・凝固する際の体積変化抑制のために、粉末には高充填性が要求されやすい。この違いの要因は、それぞれのアトマイズ法におる。高充填性の為には、粉末が球形状であることが望まける「冷却速度」と「溶湯の表面張力」の2つの差異からしい。

説明が可能である。すなわち、ガスによる冷却速度は水に比べて小さい。このことは、ガスアトマイズの場合、冷却④ 適切な粒度分布所定の熱源エネルギー量により粉末を溶融させるため媒体（ガス）の衝突により生成した液滴が、表面張力によに、粉末には適切な粒度分布への調整が重要である。粗

り球状化するだけの凝固時間を有していると理解されてい大粉が混入した場合には、未溶融を伴う造形欠陥の発る5)。さらにガスアトマイズの場合は、水アトマイズと比生、または粉末の敷き詰め不良やノズル閉塞の原因にも較して溶湯の表面張力を低下させる酸化物の生成が極めてなり得る。また微粉は、流動性を阻害する要因となるた少ないことが二つ目の要因と言える6)。
粉末が球形状であるということは、前章で示した3D プめ、適切な粒度調整が必要である。

リンティング用粉末へ求められる特性の中で、①流動性と⑤ 不純物が少ない
3D プリンティングでは、凝固過程で成長したデンド②拡がり性の向上に大きく寄与すると言える。また粒子表

ライトやセル界面に偏析する不純物により割れが発生す

面に凹凸があると粒子間摩擦が増加し、充填性が低下するる場合がある。また、酸素や窒素などのガス成分は、造こと7) から滑らかな表面を有する球状粉は、③充填性の観形体中で非金属介在物を生成し、機械的性質に大きな影点からも有利であると言える。

響を及ぼす場合がある。そのため3D プリンティングで

図4にガスアトマイズ法で製造される粉末の粒度分布例

溶製材と同等の特性を得るためには、原料粉末の不純物を示す。本工法で製造される粉末は、噴霧条件（アトマイを少なくすることが望ましい。

ズ温度、噴霧圧力、出湯スピード etc.）により変化するものの、概ね100 μm 前後を中心に数μm ～数100 μm までの広い粒度分布帯域を持つ対数正規分布として得られる。

このような 3D プリンティング用金属粉末の製造には、
3)

一般的にガスアトマイズ法が多用されている 。主な金属

粒度分布帯域が広がることにより、大きな粒子の隙間に小粉末の製造方法は、先の「山陽特殊製鋼の3D プリンティさな粒子が入り込み、空隙率が低下するため7)、前章③充ング用粉末事業への取り組み」にて紹介している。様々な填性の観点で有利であると言える。さらに、ガスアトマイ手法の中でガスアトマイズ法は、3D プリンティング用粉ズ法は冷却媒体としてアルゴンや窒素等の不活性ガスを用末として求められる特性を満足し、且つ生産性の観点から6も優位な粉末製造方法である。以下にガスアトマイズ粉末

5の適合性について解説する。

4頻度(%)‌プリンティング小特集

3D

3. ‌ガスアトマイズ粉末の特徴と3Dプリンティングへの適合性4)321

ガスアトマイズ法で製造される粉末外観の一例を図3に0示す。一般的にガスアトマイズ法で得られる金属粉末は球形状である。一方、噴霧媒体として高圧水を使用する水ア

110100粒子径（μm）

1000

図4 ガスアトマイズ粉末の粒度分布例
図 4 ガスアトマイズ粉末の粒度分布例

トマイズ法で得られる粉末は、突起の多い不定形状になり30Sanyo Technical Report Vol.27 (2020) No.1

3Dプリンティング用粉末に求められる特性と適用合金

当社では3D プリンティング用合金粉末として、鉄基、おり、数10 ppm ～数100 ppm の酸素レベルを有する金

ニッケル基、コバルト基、および銅基など多数の合金粉に属粉末の製造が可能である。このことは⑤不純物が少ないついて実績がある。それら製造合金粉末の例を図7に示す。という要求特性とも合致する。

マルエージング鋼の QM300、ステンレス鋼の PSS316L
や PSS630、ニッケル基超合金の PI718等、コバルト基合

4. 当社ガスアトマイズ粉末の特徴

金の CoCrMo 合金等の汎用材料を始め、カスタマイズ組成にも対応可能である。

図5にガスアトマイズ法の模式図を示す。原材料を真空

現在3D プリンティングに使用される材料は、SUS630,中で溶解した後、ノズルから鉛直下方に落下させ、周囲かマルエージング鋼、Ti-Al-V 等、多くが析出強化タイプの合ら高圧の不活性ガスを吹き付けることで、小さな液滴に分金であるということが特徴として挙げられる。これらの合断させる。分断された溶融金属は、噴霧チャンバ内で落下

金は、造形時には強度（硬度）が低く、時効（熱処理）すする間に表面張力により球形化しながら凝固し、球状粉末ることで所定の化合物が析出し強化される。このため、造が得られる。

形時にはクラック等の欠陥が発生しにくく健全な造形が可

また3D プリンティング用粉末でよく用いられる析出硬能であり、造形後の熱処理によって所定の強度が得られる

化タイプの合金は Ti や Al 等を含有している場合が多い。こため、3D プリンティングには都合のよい材料と言える。以のような活性元素を含有した粉末においても、当社の真空下では、汎用鋼の中でも現在実用化に進んでおり、当社の溶解‐不活性ガスアトマイズにより工程中の酸化が最小限製品としてラインナップしている鋼種について紹介する。

3D‌プリンティング小特集

いているため、酸素値が低い粉末製造法としても知られてに抑えられるため、一般的な大気溶解－不活性ガスアトマ
5.1 ステンレス鋼

イズ法と比較して成分が安定する。これにより造形物の材料特性のばらつきが抑えられる利点もある。

ステンレス鋼は、優れた耐食性および耐熱性を有し、化学工業をはじめとする各種産業用機械、一般家庭用品、自5. 当社金属粉末の3Dプリンティング適用例

動車部品ほか、原子力発電プラントなどその用途は極めて広範囲に渡り、種類も多く、3D プリンティング用材料と一般的には造形方式や熱源によって図6に示すような粒しても多くの用途が検討されている。

径の粉末が使用されている。粒度分布は造形装置により異ステンレス鋼の造形時に問題となる欠陥は、溶接時になる。適切な造形条件を設定すれば所定粒度分布を広げることも可能で、結果として材料コスト低減につながる。

図6 3Dプリンティングに用いられる粉末粒径

図 6. 各種 3D プリンティング方式に用いられる粉末の粒径範囲

図 5 ガスアトマイズ法の模式図
図5 ガスアトマイズ法の模式図

図 7 当社
3D プリンティング用粉末の合金例
図7 当社3Dプリンティング用粉末の合金例
西面由夏31

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3Dプリンティング用粉末に求められる特性と適用合金‌プリンティング小特集

3D

発生する欠陥と同様で、オーステナイト系では高温割れ、にて薬事認証を取得し、国産材料として初めて、歯科医療フェライト系・マルテンサイト系および二相系ステンレス機器製造用3D プリンティング粉末として実用化されていでは低温割れである。欠陥の発生原理等は専門書へ譲るる。詳細は「歯科医療対応3D プリンティング用コバルトが、割れ感受性の高い合金を造形する場合にはこのようなクロム合金粉末」にて紹介する。

欠陥発生を考慮した、材料、造形条件、サポート設計の適また近年、熱伝導性や導電性が必要とされる部品の材料正化が必要となる。当社では、溶接材料における過去の知として銅合金の造形が注目されているが、これまで高密度見を参考とし、不純物低減等の原料における最適化も含め造形体の作製が困難であった。当社では造形性と造形体のた3D プリンティング用粉末の成分設計を行っている。

熱伝導性を両立した銅合金を開発した。詳細は「金属3D プ
リンティング用銅合金粉末の造形体に及ぼす Zr 添加量の5.2 マルエージング鋼影響」を参照されたい。

マルエージング鋼は低 C －高 Ni 鋼の高張力鋼である。

6. おわりにオーステナイト化温度から冷却してマルテンサイト化した後、時効処理により金属間化合物を析出させて高張力化する。造形時にはマルテンサイト化した状態であるが、低 C

ガスアトマイズ法は、広い粒度分布幅を持つ球状粉末がであるため、軟かくて粘いことから造形時の欠陥は発生し得られる、酸素を低くコントロールできる、という特徴をにくい。その後、造形体を時効硬化することで高い引張強有し、3D プリンティング用粉末としての要求特性に合致度、疲労強度および靭性が得られることから、主に金型やすることを説明した。また、製品鋼種例を紹介すると共に、航空機部品、原子力などの分野で使用されている。マル

健全な造形体を得るための当社での取り組みを概説した。

エージング鋼として最も広く使用される18Ni マルエージ

当社は、今後も造形技術向上と用途拡大に寄与していくとング鋼は、時効硬化元素として Co を含んでいるため、粉共に、ユーザー要求に応じた粉末の開発を通して、市場創末として扱う場合に特定化学物質障害予防規則により健康生を推進していきたい。

障害防止措置を講ずる必要がある。このような背景から、

参考文献

マルエージング鋼の特性を維持しつつ、特定化学物質である Co 添加を回避した Co フリーマルエージング鋼を開発した。詳細は後述の「山陽特殊製鋼の3D プリンティング

1) 柳谷彰彦：特殊鋼 , 65(2016)4, 2.

技術」にて紹介する。

2) 京極秀樹：まてりあ , 57(2018) 4, 140.
3) ‌技術研究組合次世代 3D 積層造形技術総合開発機構

5.3 ニッケル基超合金

編：設計者・技術者のための金属積層造形技術入門，ウィザップ (2016), 37.

航空・宇宙機器において、高温かつ高強度が必要とされる部位には、ニッケル基超合金が使用され近年3D プリン

4) 相川芳和：光技術コンタクト , 56(2018)10, 23.

ティングの適用が進んでいる。ニッケル基超合金は大別5) ‌河 合 伸 泰 , 佐 藤 義 智 , 関 義 和： 資 源 処 理 技 術 , 33(1986)4, 39.

すると、非析出硬化型と析出硬化型に分類できる。これら
ニッケル基超合金は母相が γ 単相であるために、本質的に

6) ‌金属学会：改定4版金属データブック, 丸善株式会社(2004), 71.

造形時には、凝固割れや液化割れ等の高温割れが発生し8)やすい 。HastelloyX や Alloy600に代表される非析出硬7) 鈴木道隆：粉体工学会誌‌, 40(2003)5, 348.

化型の造形性は、オーステナイト系ステンレスと同等程

8) 篠崎賢二：溶接学会誌‌, 6(2000)5, 447.

度で、高温割れの原因となる不純物が低い材料を用いることで健全な造形が可能である。
析出硬化型は高い高温強度を有する材料であるため、結果として変形能が小さく、ひずみが加わり割れが発生すると考えられる。当社では、これまで造形が困難とされていた Alloy713C について、不純物の低減および造形条件の最適化を実施し、健全な造形体作製を達成している。詳細は「山陽特殊製鋼の3D プリンティング技術」内にて紹介する。
5.4 コバルト基合金、銅合金
生体材料として使用される CoCrMo 合金では当社粉末

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