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チタン合金3Dプリンティングの応用分野と開発
チタンは積層造形において最も一般的に使用される金属の一つであり、航空宇宙、人工関節置換術や外科手術器具、レーシングカーや自転車のフレーム、電子機器、その他の高性能製品に使用されています。チタンおよびチタン合金は、高い機械的強度、高い強度重量比、ステンレス鋼よりも優れた耐食性といった特性から、様々な産業で高く評価されています。この材料を使用することで、ロケットや航空機を軽量化し、燃料消費量を削減し、ペイロード能力を向上させることができます。また、スマートフォンやVRゴーグルなどの軽量電子機器や医療用インプラントの製造にも使用できます。さらに、チタン本来の特性と3Dプリンティングの独自の機能を組み合わせることで、その利点はさらに顕著になります。では、3Dプリントされたチタンの具体的な用途とは何でしょうか？一般的なチタンにはどのようなものがあるのでしょうか？ プリンター市場に出回っているものは何ですか？
△3Dプリントされたチタン部品
GE Additive製の股関節、Sciaky製のファンブレード、Arcam Darker製のロケット先端部、3D Systems製のチタン格子部品、EOS製のチタン製ステント、Zenith Tecnica製の外科用脊椎インプラント
3Dプリンティング チタンの3Dプリンティングは、原材料の無駄を削減しながら、より効率的なチタン製造を可能にします。積層造形技術である金属3Dプリンティングは、通常、部品の製造に必要な材料と、比較的少量のサポート構造材のみを使用します。また、3Dプリンティングは、内部チャネルや中空構造、格子構造など、軽量化のための複雑な設計を可能にし、他の製造方法では実現できない技術です。金型や工具が不要なため、チタン3Dプリンティングは、患者固有のインプラント、プロトタイプ、研究ツールなど、一点ものの部品をコスト効率よく製造できます。製造、医療、宇宙探査など、様々な分野でチタン3Dプリンティングが活用されている事例は数え切れません。
3Dプリンティングチタン合金の用途
△2023年、パネライは3Dプリントチタンケースを採用したサブマーシブルSブラバスPAM01283を発売しました。右の写真は、ホルティンリックス・デコンストラクテッドが世界初の3Dプリントチタンウォッチを発表したことを示しています。
チタン3Dプリンティングは、医療機器、高性能自転車、高級時計、家電製品など、多岐にわたる製品の製造に既に広く利用されており、革新的で多くの場合カスタムデザインを通じて、軽量でありながら強度のある製品を提供することが期待されている。
●精密製品および電子製品
3Dプリンティング技術を使えば、非常に薄肉で複雑なチタン部品を製造でき、それらはパネライやホルティンリックスといった時計のケースによく使われています。また、チタン合金製の時計ケースは、今後発売されるApple Watch Ultraにも採用されると言われています。
△2023年発売のHonor Magic V2折りたたみスマートフォンに採用された3Dプリントチタン合金製ヒンジシフトカバー
2023年、スマートフォンメーカーのHonorは、折りたたみ式スマートフォン「Magic V2」を発売した。この機種は、従来のアルミニウム製バージョンよりも軽量で強度が150%向上した、3Dプリントされたチタン製のヒンジ付きシフトカバーを採用している。Honorによると、数万個単位で3Dプリント可能なこの小さなチタン製パーツが、製品の耐久性とスムーズな折りたたみ・展開を実現する鍵となっているという。
● 医療用および歯科用インプラント
△アメリカン・オーソフィックス・メディカル社の3Dプリントチタン製インプラント「コンストラックス・ミミ・チタン・スペーサーシステム」は、2021年に米国FDAの承認を受けました。
医療業界では、3Dプリントされたチタン製インプラントは、金属本来の生体適合性と優れた機械的特性に加え、カスタム多孔質構造を3Dプリントできる能力（これにより骨統合が可能になる）と、患者の転帰を改善するためのマス・カスタマイゼーションにより、脊椎、股関節、膝、四肢の用途で成功を収めています。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が高まっています。ほとんどの医療用インプラントは、同じ症状を持つ多数の人々を対象に作られているため、すべての人に適しているわけではありません。希少疾患の患者は除外されることがよくあります。しかし、3Dプリンティングにより、個々の患者に合わせて特別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、英国のある外科医は、患者ごとに3Dプリントされたチタン製プレートを用いて、以前に骨折した手首の変形を矯正する手術を同日に4件実施した。整形外科コンサルタントで手と手首の臨床責任者であるアクシャイ・マルホトラ医師は、「この計画プロセスが完了すると、チタン粉末を用いて特注のプレートがプリントされ、テスト後、英国に送られ、手術に備えて郡立病院で滅菌処理される」と述べた。
△CoreLinkの3Dプリントチタン製ネジは骨の成長を促進する多孔質構造を特徴としており、FingerKit Consortiumの新しい患者固有のチタン製指関節
インドのマニパル病院の医師たちは、2022年に胸部を腫瘍が破壊していた癌患者の治療に、3Dプリンターで作成したチタン製のインプラントを使用した。一般的に、このサイズのインプラントは人体に負担が大きすぎるが、チタンは軽量かつ高強度で、重量が250グラム未満であるため、体内に埋め込むインプラントの材料として理想的である。3Dプリンターで作成したインプラントのおかげで、患者は完全に回復し、呼吸補助装置に頼ることなく日常生活に戻ることができた。
△Angel Cycle Worksはチタン3Dプリンティング技術を用いることで、新型Heavenバイクの重量を大幅に削減し、デザインを最適化することに成功した。
3D プリントされたチタンは、今日の高性能バイクでは一般的です。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、さらにはフルフレームにも使用されています。チタンはアルミニウムと同じくらい強く、カーボンファイバーと同じくらい軽いですが、カーボンファイバーのような持続可能性の問題はありません。バイクメーカーの Carbon Wasp は、最新のアフターマーケット クランク アームの製造にアルミニウムとカーボンファイバーを捨てて 3D プリントされたチタンを使用する理由を説明しています。Carbon Wasp は次のように述べています。「カーボンファイバーを圧迫することなくクランクをギアボックス シャフトに固定するためのあらゆる創造的な方法を考案しましたが、常に何らかの金属インサートが必要で、インサートをカーボンファイバーに接着すると問題が発生します。終わりのない質問に対して。プロトタイプをいくつか試作した後、Carbon Wasp は、3D プリントされた格子状のチタン クランクはカーボンと同じくらい軽いが、衝撃を受けやすい部分ではより強いことを発見しました。私たちは、他の多くの用途ではカーボンファイバーが最適だと考えています。フレームを含む材料ですが、すでに他のチタン部品に取り組んでいます。」
フルフレームといえば、自転車メーカーのAngel Cycle Worksは、軽量な一体型コンポーネントとしてオールチタンフレームを3Dプリントしたと発表しました。これにより、レースタイムを大幅に短縮し、新しい設計ジオメトリを実現できるとのことです。同社の新しいスーパーバイク「Heaven」は、以前のバージョンより400グラム軽量化されています。Pilotが今年発表したもう一つのオールチタン合金フレームは「Pilot Seiren」と呼ばれています。このロードバイクのフレームは、チタンから完全に3Dプリントされています（3つのパーツに分かれています）。同社によると、チタンを3Dプリントすることで、ライダーの好みに合わせてバイクをカスタマイズでき、フレームには塗装やコーティングが不要になるとのことです。
△自転車メーカーのMythosは、これらのハンドルバーを含む3Dプリントチタン製パーツを幅広く顧客に提供しており、Verve Cycling（右）は新しい3Dプリントチタン製クランクを提供している。
△GKNエアロスペースは、テキサス工場に大型チタン製3Dプリンターを新たに導入する計画だ。
△NASAが必要とするのは1つだけなので、月面展開アーム用のチタン部品を3Dプリントする方が、従来の製造方法よりも理にかなっている。
●製造
半導体メーカーのASMLは、ウェーハ製造に使用されるチタン製キャリアトレイのプリフォームを、鍛造ではなく3Dプリントで製造するようになり、原材料を64%削減し、納期も短縮している。指向性エネルギー堆積（DED）プラットフォームを使用する金属積層造形会社であるNorsk Titaniumは、半導体ウェーハ製造に使用するTi64製のニアネットシェイププリフォームを80キログラム（約176ポンド）プリントしている。
△ワシントン大学が製造した3Dプリントチタン合金製ホイールハブブラケット
△チタン粉末
△ワシントン大学金属3Dプリンティング研究所（地球上に豊富に存在する材料の展開と研究に関するワシントン共同センター）は、チタン製の部品を製造している。