※ この記事はAll3DP.com掲載のJuan C. Colombo-Pulgarín氏による記事「Titanium 3D Printing – The Ultimate Guide」を翻訳・転載したものです。
チタンは3Dプリントで最も一般的に使用される金属の一つであり、航空宇宙、人工関節や外科用具、レースカーや自転車のフレーム、電子機器などの高性能製品で広く使用されています。
チタンおよびチタンベースの合金は、高い機械的強度、高い強度対重量比、ステンレス鋼よりも優れた耐食性を持つことで高く評価されています。この素材はロケットや飛行機を軽量化し、燃料を節約し、搭載能力を向上させます。また、スマートフォンやVRゴーグルなどの電子機器を軽量化します。医療用インプラントにも同様です。そして、3Dプリントでチタンを使用する際のユニークな特性とチタンの固有の資質を組み合わせると、その利点はさらに増大します。
3Dプリントは、この高価な金属のより効率的な製造を可能にし、原材料の消費を減らし、廃棄物も少なくします。金属の3Dプリントは通常、部品の製造に最低限必要な量の材料と、比較的少量のサポート用材料のみを使用します。
また、3Dプリントは内部チャネルや、他の製造方法では不可能な空洞や格子状のインフィル部品など複雑なデザインを可能にし、重量を減らします。金型や特殊な工具が不要なため、チタンの3Dプリントは、患者ごとに個別のインプラントや試作品、研究用ツールなど、一点ものの部品のコスト効率の良い製造を可能にします。
3Dプリントされたチタンは、製造業、医療、宇宙探査など、数え切れないほどの分野で先進的に活用されています。チタンが3Dプリントに適している理由と、現在どこで使用されているかを見てみましょう。
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誰が何のためにチタンを3Dプリントしているのか？
現在、チタンで3Dプリントを行っているのはどのような企業でしょうか？それは、医療機器や高性能な自転車、高級腕時計、消費者向け電子機器などを製造する幅広いメーカーたちです。これらの企業に共通しているのは、革新的で、しばしばカスタムされたデザインを求め、軽量で強度の高い製品を提供するニーズがあることです。
精密製品、電子部品
3Dプリントは非常に薄い壁や、複雑で精巧なチタン部品を作り出すことができます。そのため、PaneraiやHolthinrichsの時計ケースのような製品に使用され、Apple Watch Ultraの今後の部品の一つになるとも噂されています。
2023年、スマートフォンメーカーのHonorは、3Dプリントされたチタン製のヒンジシフトカバーを搭載した新型折りたたみスマートフォン「Magic V2」を発表しました。このカバーは以前のアルミニウム版よりも軽量で、150%強度が高いとされています。同社は、この小さなチタン部品が、数万個単位で3Dプリントされることが、製品の耐久性や、滑らかに折りたたみ展開できる鍵であると述べています。
医療用、歯科用インプラント
医療業界において、3Dプリントされたチタン製インプラントは、脊椎、股関節、膝、四肢などの分野で成功を収めています。これは、チタン固有の生体適合性と優れた機械的特性に加え、3Dプリントによる多孔質構造の調整能力（骨との統合を可能にする）と、患者ごとのマスカスタマイゼーションが可能であることが、良い結果をもたらすからです。
3Dプリントされたチタン製インプラントは、規制当局の承認と需要の両方で増加しています。既存のほとんどの医療インプラントは、同じ状態の大勢の人々に適合するように製造されているため、すべての人に理想的にフィットするわけではありません。珍しい状態に苦しむ人々はしばしば見落とされがちです。しかし、今では3Dプリントにより、個々の患者専用に設計されたインプラントを製造することが可能になりました。
2023年に、イングランドの外科医が同じ日に4件の手首の手術を行い、以前に骨折した手首の骨の変形を患者特有の3Dプリントされたチタン製プレートで修正しました。「この計画がスタートするとと、オーダーメイドのプレートが粉末チタンを用いて3Dプリントされ、テストを経て英国に出荷され、カウンティ病院で滅菌されたのち、手術で利用可能になります」と、University Hospitals of North Midlandsで手と手首の外科のコンサルタント整形外科医・臨床リーダーを務めるAkshay Malhotra氏は述べています。
がん患者が肋骨を破壊する腫瘍に苦しんでいた際、インドのManipal Hospitalsの医師たちは2022年に3Dプリントされたチタンに目を向けました。この規模のインプラントは一般的に人間の体にとって重すぎますが、チタンの軽量性と高い強度により、患者特有の代替品が3Dプリントされ、その重量は250グラム未満でした。3Dプリントされたインプラントの成功により、患者は完全に回復し、外部の機械の助けを借りずに通常の生活に戻ることができました。
患者に合わせて3Dプリントされたチタン製の距骨を使用した足首骨置換手術の試験では、患者から肯定的な結果が報告されました。骨の置換により、患者は足首関節全体の置換を必要としなかったのです。距骨は非常に個別性が高い解剖学的特徴を持つため、患者のCTスキャンデータに基づいてユニークに設計された3D部品が必要でした。
2023年には、米国FDAによる3Dプリントされたチタン製インプラントの重要な承認があり、主に脊椎インプラントが対象となりました。
- Restor3dは足関節形成術における初の全金属製（チタン製）3Dプリント患者専用器具の承認を2023年に取得。
- SurGenTecは3Dプリントチタン製仙腸関節固定システムTiLink-Pの認可を2023年に取得。
- FloSpineがTri-Largo Cervical Interbody Cage Systemと呼ばれる脊椎を支えるための3Dプリント・インプラントについて、2023年にFDAの承認を取得。
- Eminent Spineが3Dプリントチタン構成物の頸椎椎体間固定システムで2023年にFDAの承認を受ける。
- ChoiceSpineのチタン製Blackhawk Ti 3Dプリント頸椎スペーサーシステムが2023年にFDAの承認を受ける。
- CoreLinkは多孔性ナノ表面3Dプリントチタンインプラント、Siber Ti仙腸関節固定システムのFDA承認を2023年に取得。
自転車
重量が1オンスごとにカウントされ、高強度が最優先される高性能自転車では、3Dプリントされたチタンの使用がほぼ一般的です。クランク、ブレーキハンドル、ステム、ディレイラーハンガー、さらにはフルフレームに至るまで、チタンはアルミニウムのように強く、カーボンファイバーのように軽いことが証明されており、カーボンファイバーが抱える持続可能性の課題も抱えていません。
自転車メーカーのCarbon Waspは、アルミニウムやカーボンファイバーを廃止し、最新の改造用クランクアームに3Dプリントされたチタンを採用した理由を述べています。「クランクをギアボックスの軸にクランプするための様々な方法を考えましたが、常にいくつかの金属インサートを含める必要があったのです……しかし、カーボンにインサートを接着することには無数の問題がありました」。いくつかのプロトタイピングを経て、Carbon Waspはラティス構造で3Dプリントされたチタン製クランクがカーボンと同じくらい軽く、衝撃を受けやすい領域でもより堅牢であることを発見しました。「私たちは依然としてカーボンファイバーがフレームなど多くの用途に最適な材料だと考えていますが、すでに他のチタン製品にも取り組んでいます」。
フルフレームについて言えば、自転車メーカーのAngel Cycle Worksは、軽量な一体型のチタンフレームを3Dプリントしており、レースの時間を決定的な秒数短縮し、新しい幾何学的なデザインを可能にしていると述べています。その新しい自転車「Heaven」は、以前のバージョンより400g軽くなっています。また、Pilotが今年発売した「Pilot Seiren」という別のフルチタンフレームもあります。このロードバイクは、チタンで3Dプリントされたフレーム（3パーツで構成される）を特徴としています。同社は、3Dプリントされたチタンにより、ライダーの好みに合わせてバイクをカスタムフィットすることが可能で、フレームに塗装やコーティングが必要ないと述べています。
「3Dプリントにより壁の厚みを薄くでき、ストレスのない軽量で強力なフレームを実現します」と、PilotのTim Blankers told氏は自転車サイトのRoad.ccに語りました。「フレームの重量は1キログラムをわずかに上回る程度。Pilotは、パワー伝達を最適化するために、剛性が望まれる場所に材料を追加することもできます」。
2023年には、サイクリング用の3Dプリントされたチタン部品が市場に多数登場し、その中には豊富な製品が含まれています：
- Silcaは2023年、チタン製ディレイラーハンガーのシリーズを含む3Dプリント製品の最新ラインを発表した。
- Verve CyclingとMetron Additive Manufacturingは、InfoCrank 3D Tiと呼ばれる3Dプリントチタン製クランクを発表した。
- Mootsは新しいRoutt CRD gravel バイク用の3Dプリントチタン部品とアクセサリーを発表した。
- Canyon は、米国の持続可能な3Dプリント・チタンのスペシャリストであるIperionXとのパートナーシップを発表し、同ブランドが近々チタン3Dプリントパーツをリリースする可能性を示唆した。
- Cane Creekは、カーボン製クランクセットと同等の軽量性を持ちながら、アルミ製クランクセットと同等の耐久性を持つ、チタン3Dプリント製Electric Wingsクランクを発表した。
航空宇宙業界
航空宇宙産業では、現在、商業用および軍事用にいくつかのチタンベースの3Dプリント部品が使用されており、多くの他のプロトタイプがFAA認証に向けて進んでいます。3Dプリントされたチタンは、その低い「バイ・トゥ・フライ（buy-to-fly）」比率から重宝されています。これは、航空宇宙用語で、初期材料の重量とプリントされた部品の重量の相関を指します。
Primus Aerospace、StarHagen Aerospace、Zedaなど、航空宇宙、防衛、宇宙市場に特化したいくつかの契約製造業者が、プロトタイピングと最終部品の両方に使用するチタン部品を製造できる3Dプリンターへの投資を行っています。
2023年、GKN Aerospaceは、テキサスに新しいグローバルテクノロジーセンターの一環として巨大な3Dプリントセルを構築する計画を発表しました。ここではチタン製の航空機構造が3Dプリントされる予定です。Cell 3と呼ばれるこのプリンターは、長さ5メートルのチタン部品を製造できます。
製造業
他業種とは異なる理由で3Dプリントされたチタンを採用している半導体メーカーASMLは、チタン製のプリフォーム搬送トレイ（ウェハ製造に使用する）を鍛造ではなく3Dプリントで製造することで、原材料を64%節約し、より迅速な納品を行っています。金属3Dプリント企業のNorsk Titaniumは、DED（指向性エネルギー堆積法）プラットフォームを使用して、Ti64から80キログラム（約176ポンド）のニアネットシェイププレフォームを製造しています。こちらも半導体のウェハ製造に使用されます。
Norskは、オランダのパートナーであるHittech Groupと協力してこのプレフォームを開発しました。Norskによると、これはASMLのリソグラフィーシステムで使用されています。オランダに拠点を置くASMLは、過去数年間のチップ不足の文脈で世界で最も頻繁に議論される企業の一つです。特に、ASMLは世界唯一の極端紫外線（EUV）光リソグラフィーマシンを製造していることで最もよく知られています。
アメリカ海軍も、時間と費用の節約、外国のサプライチェーンへの依存排除のために3Dプリントされたチタンを利用し始めています。高性能遠心ポンプに必要な大型のチタン鋳造品を国内で製造する能力がない海軍は、長いリードタイムと高コストで炭素集約型のチタン原材料を利用するサプライチェーンに悩まされていました。しかし、リサイクルされたチタンパウダーを扱うIperionXや、Carver Pumpといった新しい国内パートナーとともに、海軍は重要な部品のリードタイムを大幅に短縮し、装備の可用性を高め、アメリカのチタン金属サプライチェーンを持続可能なかたちで築き始めています。
チタンを知る
純チタンは一般的にエンジニアリング用途には使用されませんが、膝や股関節のインプラントなど、バイオメディカル市場の部品にはよく使用されています。チタンベースの合金（金属成分が特定の割合で混合され、特定の機械的特性を提供する）は、特定の部品特性を達成する必要がある幅広い産業で使用されています。長年にわたり製造業者に鋳造用チタンを供給してきた金属材料サプライヤーは、現在、3Dプリント用に調整されたチタン粉末を提供しています。
Virtual Foundryを含むいくつかの企業から、押出ベースの熱溶解積層方式（FDM）用のチタンフィラメントが入手可能です。この材料には、PLAに埋め込まれた金属パウダーが含まれており、押出温度が205°C以上のFDMプリンターで印刷することができます。ポストプロセスと焼結処理を経たこれらのフィラメントは、90％以上が金属となる部品を製造でき、プロトタイプに適しています。金属フィラメントを探している場合は、グレーの色を指すだけで「チタン」と呼んでいるものに注意してください。
3Dプリント用のチタン
- チタン6Al-4V、グレード5は、3Dプリントで最も一般的に使用されるチタン合金であり、航空宇宙や自動車分野、軍事用途のプロトタイプや機能部品に最適です。また、複雑な形状や精度を必要とする部品や生産工具の製造にも優れた素材です。
- チタン6Al-4V、グレード23は、医療用インプラントや義肢に一般的に使用される生体適合性の合金です。
- チタンベータ21Sは、Ti-6Al-4Vなどの従来のチタン合金よりも高い強度を示し、Ti-15V-3Crなどの従来のチタン合金に比べて優れた酸化抵抗性とクリープ抵抗性を持ちます。グレード21のチタンは、どのチタン合金よりも低い水素吸収効率を持っています。これは、整形外科用インプラントや航空機エンジン用途に最適な候補です。ベータチタンは矯正歯科で広く使用されています。
- Cp-Ti（純チタン）、グレード1、2は、人体との生体適合性のため、医療分野で幅広い用途に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近アルファチタン合金です。TA15製の部品の高い比強度と、それに伴う高い耐荷重性と耐温性により、航空機やエンジン製造における高負荷部品に使用されます。
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チタンのサプライヤー
3Dプリント用に特別に調整されたチタンおよびチタン合金は、粒子サイズや純度の範囲で、材料メーカーから幅広く提供されています。以下のようなメーカーと素材が含まれます：
- Carpenter Technology: TI 6AL-4V ELI
- Heraeus: Ti6Al4V Gr.5 and Gr.23
- Sandvik: Osprey TI-6AL-4V Gr.5 and Gr.23
- GKN: CPTi – Gr.1 and Gr.2, Ti64 – Gr. 5 and Gr. 23, Ti6242, Ti5553, Beta 21S
- AP&C (a GE Additive company): CPTi – Gr.1 and Gr.2, Ti-6AI-4V Gr.5 and Gr.23, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo, Ti-5Al-5V-5Mo-3Cr
- AstroAlloys: TruForm Ti-6Al-4V Gr.5 and Gr.23, Ti-48Al-2Nb-2Cr, Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo
- Uniformity Labs: Ti64 Gr.23
- Tekna: Ti64
- PyroGenesis Additive: CPTi – Gr.1, Ti-6AI-4V Gr.5 and Gr.23
- IperionX: recycled Ti
チタンを3Dプリントする方法
チタンベースの合金を加工するためのいくつかの金属3Dプリント技術がありますが、粉末チタンを使用するパウダーベッドフュージョン方式（レーザーパウダーベッド、電子ビームパウダーベッド）が最も一般的に利用されています。
コンサルティング会社Ampowerは「チタン3Dプリント部品の大部分はパウダーベッド技術を使用して製造されます。パウダーベッド方式は、航空およびレース用の軽量部品や医療用インプラントの製造に使用される一方で、バインダージェットは通常、チタンからのより小さな医療器具の製造に使用されます」とレポートしています。
レーザーパウダーベッド融合（LPBF）、または選択的レーザー溶解（SLM）とも呼ばれる造形方式は、高出力レーザーを使用して金属粉末を加工します。LPBFは、焼結した層に材料の層を重ねていくことで部品を製造します。処理されるチタンベースの合金の特性に基づいて、LPBFの処理パラメータは最適化され調整されなければならず、多孔性、微細構造、および最終的な材料特性を制御する必要があります。
電子ビームパウダーベッド融合（EB PBF）、または電子ビーム溶解（EBM）とも呼ばれる方式は、LPBFとプロセスが似ていますが、レーザーの代わりにより高出力の電子ビームを使用します。Ampowerによると、電子ビームによる加工の温度の高さは、単一層の冷却を遅くし、その結果、LPBFに比べて微細構造が粗大になります。
パウダーベッド方式において、金属3Dプリンターは金属粉末のベッドから作業を開始し、一層ずつ選択的に造形していきます。すべての幾何学的情報は、3Dモデリングソフトウェアで作られたCADモデルからプリントシステムに与えられます。粉末材料は、主に粒子形態（不規則または球状）や粒子サイズ分布などの特徴によって特徴付けられます。3Dプリント中に粉末の良好な流動性を確保するためには、球状形態が望まれます。粉末の製造プロセスがその最終的な特徴を決定し、金属粉末はガス原子化、回転原子化、プラズマ回転電極プロセス、水原子化によって製造することができます。結論として、品質の高い粉末は品質の高い部品を生産します。
チタンに適した他の付加製造方法には、直接エネルギー堆積（DED）、迅速プラズマ堆積（RPD）、結合剤噴射（バインダージェット）方式が含まれます。
チタン対応3Dプリンター
現在の3Dプリンティングシステム市場では、様々なチタンベースの合金を加工するための金属3Dプリンターが幅広く提供されています。
粉末焼結 （PBF, powder bed fusion）
- 3D SystemsはいくつかのPBF 3Dプリンターと互換性のある3種類のチタン材料を提供している。
- EOS は4種類の金属粉末床融合3Dプリンタで使用できる5種類のチタン材料を提供している。
- GE AdditiveはSLM 3DプリンターのConcept Laserラインにチタンとチタン合金を提供している。
- SLM Solutions は選択的レーザー溶解3Dプリンターシリーズに3種類のチタン合金を提供している。
- Velo3DはPBF 3Dプリンターにチタンソリューションを提供している。
- Trumpf のレーザー金属溶融3Dプリンターは、チタン部品製造用に設計されている。
- Renishaw の金属3Dプリンターは、医療・歯科分野のチタン製パーツの製造に人気がある。
- AddUpのFormUp350レーザー金属融合3Dプリンタはチタンに対応している。
結合剤噴射（Binder Jetting）
- Digital Metal は結合剤噴射方式の3Dプリンタで1種類のチタン合金を提供している。
- Desktop Metal はStudio、Xシリーズ、Production Systemプリンタでチタンを提供している。
電子ビーム （EBM, Electron beam melting）
- GE Additive はEBM 3Dプリンターにチタンとチタン合金を提供している。
コールドフージョン（Cold fFsion）
- Spee3Dは2022年、チタンを3Dプリントできるようになったと発表した。
材料押出方式（FDM, Fused Deposition Mosdeling）
- Desktop Metal は Bound Metal Depositionという技術を使って、3台のプリンター用にチタン合金を充填した独自のフィラメントを提供している。
- Meld Manufacturingは、大型部品に特化した独自の技術を持つ。
3Dプリントチタンの特徴
パウダーベッドプロセスにおける重要な懸念事項の一つは、材料の微細構造がプリント中にどのように進化し、エネルギー密度と伝達される熱が材料の結晶格子とどのように相互作用するかということです。この相互作用は、レーザービームまたは電子ビームが原料に伝達する時間依存の温度プロファイルに反映されます。
3Dプリントはチタンを多面的かつ複雑な熱処理サイクルにさらし、材料の機械的特性に影響を与えます。これらの間の傾向や関係を確立することは難しいです。なぜなら、各プリンターごとに特徴は異なり、材料ごとの特性も変わるため、調整するための範囲が広いからです。この分野では最近多くの研究が行われており、ほとんどは3Dプリントされたチタン部品の優れた構造に言及しています。
2021年3月、金属3DプリンターメーカーのMELD Manufacturingは、そのプロセスが鍛造材料に対するASTMおよびAMS標準要件を満たすチタンを製造することを確認したデータを公開しました。
このデータは、国立製造科学センター（NCMS）、Army Research Laboratory （ARL）、および高度製造材料プロセス（AMMP）とのプログラムを通じて生成されました。テストには、Ti-6Al-4V（Ti64）材料、またはASTMグレード5としても知られている材料が使用されました。
このデータは、印刷された材料がASTM基準で指定されているすべての軸で、特にプリント層を通じてZ方向で、降伏強度、最終引張強度、および伸びの最小要件を超えることを強調しています。
医療機器メーカーが生産能力を重視して3Dプリントの採用を増やすのに合わせ、米国FDAが承認したチタンベースの3Dプリント外科用インプラントの数は増加し続けています。
チタンの部品を注文する
チタン部品用の金属プリンターを購入することが現実的でなくても、多くの3Dプリンティングサービスがこの材料を扱っていますし、一部はデザインサービスも提供しています。注文する際には、使用する合金について必ず確認してください。なぜなら純チタンは特別に注文する必要があるかもしれないからです。
Craftcloud by All3DPでは、ファイルをアップロードし、チタンを選択して、サードパーティの3Dプリンティングサービスから見積もりを受け取ることができます。Stratasysや3D Systems、EOSなどのいくつかのプリンターメーカーおよび、Sandvikなどの材料メーカーが、チタンのオンデマンドサービスを提供しています。
>> ALL3DPの記事「The Best Metal 3D Printing Services in 2023」を読む <<
チタンのインプラントと外科用ガイド
カスタムインプラント用の3Dプリントされたチタンが迅速に規制承認を得ている中、従来の医療機器メーカーやZenith Tecnica、4Web Medical、Camber Spine、Amnovis、Nexxt Spineなどの3Dプリントに特化したスタートアップ企業が、こうしたサービスを提供しています。
最近、ProMade PoC Center for Complex Orthopedic Solutionsは、医療機器会社が病院内で運営する初の複雑な症例のためのPOCセンターとして話題となりました。イタリアの企業であるLimaCorporateは、複雑な整形外科ソリューションのデザインと3Dプリンティングに特化しており、ニューヨークの特別手術病院（HSS）と提携し、臨床ケアと生体力学工学の専門知識を一箇所に集めています。