機能傾斜材料用3Dプリンター — グラデーション金属積層造形
3DPTEKは、量産対応のFGM 3Dプリンターを製造する世界で唯一のメーカーです。当社の特許取得済みマルチパウダーSLM技術により、1回の造形内で異なる金属合金間のシームレスな移行が可能となり、従来の製造方法では実現できなかった材料特性を引き出すことができます。
機能傾斜材料（FGM）とは何か？
機能傾斜材料（FGM）は、機能勾配材料とも呼ばれ、異なる特性を持つ2つ以上の材料が、単一の連続した構成要素内に組み合わされた先進的な複合材料である。従来の接合方法とは異なり、FGMでは鋭い界面が存在せず、組成や微細構造が部品全体にわたって徐々に変化する。
従来の製造方法では、耐摩耗性のある表面と、強靭で延性のある芯材を組み合わせるには、溶接、ろう付け、または機械的締結が必要ですが、いずれも応力集中や破損箇所が生じます。 FGMは、シームレスな組成勾配を形成することでこの問題を解決します。すなわち、一方の表面には材料Aの100%を配置し、もう一方の表面の材料Bの100%へと滑らかに移行させます。
3DPTEKのグラデーションSLM技術は、レーザー溶融の前にパウダーベッド全体に堆積される2種類（またはそれ以上）の金属粉末の比率を精密に制御することで、これを実現しています。その結果、硬度と靭性を兼ね備え、耐食性と熱伝導性を持ち、軽量かつ高強度な単一の部品が得られます。
グラデーション金属3Dプリントの仕組み
3DPTEKの特許取得済みマルチパウダー供給システムにより、1軸、2軸、あるいは3軸に沿って組成を精密に制御することが可能であり、この機能は他のどの市販の金属3Dプリンターにも類を見ないものです。
多成分粉末堆積
2種類以上の金属粉末が、制御された、連続的に変化する比率で、ビルドプラットフォーム全体に精密に計量・堆積されます。
組成制御
特許取得済みの粉末散布機構により、X軸、Y軸、および／またはZ軸に沿って、ミクロンレベルの精度で滑らかな濃度勾配を形成します。
選択的レーザー溶融
500WのIPGファイバーレーザーが、多成分粉末混合物を選択的に溶融させ、原子一つひとつ、層ごとに、完全に緻密で連続した金属部品へと成形します。
シームレスなグラデーション部分
溶接も、接合部も、接着剤も一切なし。単一のプロセスで製造された、空間的に変化する材料特性を備えた単一の連続した部品です。
グラデーション金属3Dプリントが重要な理由
勾配金属積層造形により、エンジニアは空間的に最適化された特性を持つ部品を設計できるようになります。これは、均質材料による設計からのパラダイムシフトです。
レイヤーではなく、グラデーション
連続的な組織の遷移が、不連続な材料界面に取って代わることで、従来の接合方法によって生じる応力集中が解消される。
1つの部品、複数の特性
接触部分は耐摩耗性、露出部分は耐食性、荷重がかかる部分は高い強靭性を備え、これらすべてが単一のモノリシック部品に集約されています。
溶接箇所なし、故障なし
ろう付け、溶接、機械的締結を排除します。異種金属間の腐食が発生しません。接合部に応力集中点がありません。単一の連続した材料システムで構成されています。
研究開発の加速
1回のビルドで全組成範囲をテストできます。新しい合金システムを数ヶ月ではなく、数日でスクリーニングできます。量産化に先立ち、材料開発のリスクを低減できます。
Gradient Metal 3Dプリンターシステム
機能傾斜材料の製造に向けた、実用段階にある2つのプラットフォーム。どちらのシステムも、500WのIPGファイバーレーザー、オープンな材料アーキテクチャ、および特許取得済みのマルチパウダー供給技術を備えています。
実績のある勾配材料の組み合わせ
3DPTEKのグラジエントシステムは、産業上重要な幅広い合金ペアにおいて、良好な移行特性が実証されています。各組み合わせについては、微細組織解析および機械的試験を通じてその有効性が確認されています。
Ta-Ti合金の濃度勾配
高い放射線不透過性と骨統合性を併せ持つことが求められる生体用インプラントにおけるタンタル・チタン系材料の転用。
CoCrMo → IN718
耐摩耗性から高温強度への移行が求められる航空宇宙用部品向けの、コバルトクロムからインコネル718へのグラデーション。
SS316L → CoCrMo
海洋および化学処理用途において、耐食性のあるステンレス鋼から、耐摩耗性に優れたコバルト・クロム合金へと移行している。
研磨用鋼 + ニッケル基合金
高温耐食性が求められる原子炉部品用の、ニッケル超合金を配合した耐摩耗性工具鋼。
アルミニウム＋スチールのグラデーション
軽量化と構造的完全性の両方が求められる船舶部品において、軽量アルミニウムから高強度鋼への移行が進められている。
2Dグラデーションによる粉末配置
X軸およびY軸方向の組成制御を同時に行うことを可能にする、2相2次元勾配付加式粉末ベッド積層法。
AFS-M120X および AFS-M120XT — 仕様
両モデルとも、同じ高精度プラットフォームを採用しています。AFS-M120XTには、垂直勾配機能と、より背の高いビルドタンクが追加されています。
| パラメータ | AFS-M120X | AFS-M120XT |
|---|---|---|
| 勾配関数 | 水平方向のグラデーション（X軸） | 水平＋垂直（X/Y/Z） |
| タンクの外形寸法（長さ×幅×高さ） | 120×120×150 mm | 120×150×150 mm |
| 機器のサイズ（長さ×幅×高さ） | 1532×1390×1830 mm | |
| レーザーの種類 | IPGファイバーレーザー — 500W | |
| 成形精度 | ±0.1 mm / 100 mm | |
| 成形速度 | 2～20 cm³/h | |
| 層の厚さ | 0.02～0.1 mm | |
| 最大スキャン速度 | 6 m/s | |
| 成形材料 | ステンレス鋼 • チタン合金 • アルミニウム合金 • 金型用鋼 • CoCr合金 • ニッケル基合金 | |
| 機器の重量 | 約1.5トン | |
| 電源 | 380VAC / 50Hz / 8kW 三相5線式（TN-S） | |
グラディエント・メタル社の3Dプリンティングによって変革された産業
FGM技術は、従来の冶金学では解決できない課題に取り組んでいます。グラデーション金属印刷が最も大きな影響を与えている分野はここです。
航空宇宙・ターボ機械
熱障壁の勾配を持つタービンブレード。耐酸化性表面と耐クリープ性コアを備えた燃焼室部品。多合金アセンブリに代わる単一部品によるソリューション。
原子力エネルギー
高温強度と電解腐食耐性を同時に必要とする原子炉用部品。瀋陽自動化研究所により、原子力用途への適用が検証済み。
海洋・造船
海軍艦艇向けの軽量アルミニウム・スチールグラデーション構造。高い耐食性と構造的完全性を兼ね備えています。蘭州工業大学により検証済みです。
医療用インプラント
耐摩耗性のある関節面と、オッセオインテグレーション性を有する骨接触領域を備えた生体適合性グラデーションデバイス。Ta-TiおよびCoCrMo-Tiグラデーションシステム。
金型・ダイカスト
コンフォーマル冷却された金型で、高熱伝導率の銅が、加工面では高硬度の工具鋼へと段階的に変化する構造となっています。これにより、サイクルタイムと金型寿命が劇的に向上しました。
材料研究
ハイスループット合金スクリーニング。1回のビルドで全組成ライブラリを一括出力。新素材の開発期間を数年から数週間に短縮。
研究事例
3DPTEKのグラデーションメタル3Dプリンターは、要求の厳しい実用的な用途において、主要な研究機関から信頼を得ています。
原子炉の構成部品
国家ロボット工学重点実験室の開発チームは、3DPTEK社のグラデーションSLM技術を用いて、Ta-WおよびTa-Ti合金のグラデーション積層造形に成功しました。これらは、これまで単一の合金では加工が不可能だった材料です。この画期的な成果により、重要な原子炉環境において、複数の材料を組み合わせたアセンブリが不要になりました。
軽量船舶構造
船舶部品の材料研究・開発に向け、2次元アルミニウム・鋼合金グラデーション材料が開発された。このグラデーション構造により、アルミニウム含有率の高い表面では軽量化を実現しつつ、鋼含有率の高い表面では高い強度と耐食性を維持することに成功した。この研究は、従来の設計よりも軽量かつ高強度で、さらに耐久性に優れた次世代の船舶構造への道を開くものである。
よくある質問
機能傾斜材料（FGM）は、機能勾配材料とも呼ばれ、異なる特性を持つ2つ以上の材料が単一の部材内に組み合わされた先進的な複合材料である。 部材全体にわたって組成や微細構造が徐々に変化するため、急激な界面がなくなり、接合部や溶接、接着剤を用いることなく、単一の部材が異なる特性（例えば、ある面では耐摩耗性を、別の面では耐食性を備えるなど）を持つことが可能になります。
3DPTEKのグラデーションSLMシステムは、特許取得済みのマルチパウダー供給技術を採用しています。2種類以上の金属粉末が、制御された比率でパウダーベッド全体に精密に堆積され、その後レーザーによって選択的に溶融されます。 当社のAFS-M120Xは水平方向（X軸）のグラデーション移行を実現し、AFS-M120XTは垂直方向（Z軸）のグラデーション機能を追加することで、1回の造形内で真の3D組成制御を可能にします。
3DPTEKのグラデーションシステムは、Ta-Ti合金、CoCrMoとIN718（インコネル）、SS316LとCoCrMo、研磨用鋼とニッケル基合金、およびアルミニウム・鋼合金間の移行に成功しています。 この技術は、溶接可能な金属粉末のほぼあらゆる組み合わせに対応しており、新素材の開発や性能の最適化に最適です。
FGM部品は、航空宇宙分野（温度勾配を有するタービン部品）、原子力分野（耐食性・耐熱性部品）、船舶工学分野（軽量かつ高強度の構造物）、医療機器分野（生体適合性のある勾配構造インプラント）、および金型分野（強靭な芯材を備えた耐摩耗性表面）において、ますます重要な役割を果たしています。3DPTEKのシステムは、瀋陽自動化研究所および蘭州工業大学において、原子力および船舶分野の用途に採用されています。
はい。3DPTEKは現在、量産対応かつ市販されている機能傾斜材料用3Dプリンターを提供している唯一のメーカーです。中国の主要研究機関と共同で開発した、当社の特許取得済みの多粉末供給および勾配制御技術は、世界の積層造形市場において他に類を見ないものです。