ブランドストーリー

こんにちは、AMソリューションプロのコンサルティング会社HDCです。

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今日はこのチタンという素材についてもう少し深く入ってみようと思います。どんな機械的特性が優れているのか、どこに使われているのか、またこの強くて多様な活用性を持つチタンを中心にどの産業が発展しているのかを一緒に見てみましょう。

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積層製造（Additive Manufacturing以下AM）、しばしば3Dプリントと呼ばれる技術は、製造業界を革新的に変化させている先進技術です。特に金属AMは宇宙航空分野で大きな関心を受けていますが、素材活用効率に優れ、生産サイクルも短いうえ、後処理もほとんど必要ないほど完成度が高いからです。

▶複雑な部品も一度に！ – 積層製造の本当の強み

積層製造（Additive Manufacturing、AM）は、デジタルモデルに基づいて部品を1層ずつ積み重ねて製作する方式です。

このプロセスは複雑な形状を単一の工程で作ることができ、別途の加工なしでも完成度の高い金属部品を生産できるようにしてくれます。

特にチタン合金や超耐熱合金のように加工が難しくコストがかかる素材は従来の製造方式で扱いにくいですが、

この場合、AM技術ははるかに効率的な解決策になります。

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▶高価で加工が難しいチタン、AMが答えになることがあります。

しかし、AM技術は設計の柔軟性とプロセス効率性により、チタン加工コストを画期的に減らす代替案として注目されています。

過去には酸素汚染などの不純物問題がありましたが、DED（Directed Energy Deposition）などの技術の発展で

今では不純物管理のレベルもはるかに向上しています。

 

▶AMで作られたチタン部品、より良い性能を見せることもあります。

積層製造で出力されたチタン合金部品は、従来の圧延や鋳造方式で作られた部品より より良い機械的特性を見せることが多いです。

その理由は、AMプロセス中に形成される ユニークな微細組織(microstructure) そのため、この構造は部品の強度と耐久性を向上させます。

このようにAM技術はチタン合金だけでなく、加工が難しい他の金属素材の製造方式にも大きな変化をもたらしています。

一言で言えば、金属製造の方式自体を変える技術として位置づけられているわけです。

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▶チタンのもう一つの特徴 - 熱によって性質が変わります。

チタンは約882℃で結晶構造が変わる 常変態(allotropic transformation) 性質を持っています。

簡単に言えば、高温で構造が変わり、熱処理によって所望の物性を調節できるという意味です。

また、チタンは他の元素をよく受け入れる特性があり、合金設計に非常に有利な金属です。

添加される元素の電子数によって構造安定性が変わる点も、この素材の興味深い特性の一つです。

 

▶チタンが愛される最大の理由 - 優れた耐食性

チタンとその合金が特に注目される理由の一つは、優れた耐食性（corrosion resistance）です。

酸素と素早く反応しながら表面に 薄く緻密な酸化膜これが起こりますが、この酸化膜は外部物質が浸透するのを防ぐ保護膜として機能します。

この保護層のおかげで、チタンは 酸化と腐食を同時に防止してくれ、極限環境でも長く安定した性能を維持できる金属と認められています。

 

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2. Ti-6Al-4V合金

Ti64は、チタン90％、アルミニウム6％、バナジウム4％からなるチタン合金です。

この合金は 優れた機械的特性、耐腐食性、高温耐熱性をすべて備えており、様々な産業分野で広く活用されています。

特に Ti-6Al-4Vは産業用に最も広く使われているチタン合金ですが、世界中のチタン金属生産量の約半分を占めるほどの使用量が多いです。

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このように広く使用されている理由は簡単です。

機械的強度と腐食抵抗性、耐熱性など様々な性能のバランスが非常に優れているからです。

また、加工性も良く多様な部品形態で製作でき、熱処理により性能を調節できます。 さまざまな産業群で柔軟に使用することができます。

 

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3. 従来のチタン加工方式の限界

チタンを伝統的な方法で加工するにはいくつかの困難があります。

代表的には 効率とコスト効率の面での制約があります。

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例えば、チタンは硬いほど工具を容易に磨耗させる性質があり、 加工時に工具を頻繁に交換する必要があり、メンテナンスコストも高くなります。になります。

このため、加工プロセスが面倒で運用費が大幅に増加します。

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それだけでなく、チタンは素材自体も高価な方であり、切削や穴あけのように材料を削る方法（subtractive process）は不要な材料損失が多く 無駄が大きくなる欠点があります。

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ここに加えて 溶接が難しいという点も問題はい。

チタンは酸化に非常に敏感であるため、 きちんとした保護雰囲気（酸素のない環境） なしで作業すると簡単に酸化が起こります。

これにより、溶接プロセスがより複雑になり、製造コスト全体が一緒に高まる可能性があります。

 

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4. Meltioを活用したチタン3Dプリンティングのメリット

一方、Meltioのようなシステムに基づく3D印刷技術の登場は、チタン製造方法にいくつかの明確な利点を提供しています。

最大の利点の1つは 素材の無駄を大幅に削減できる点これです。

従来の切削加工方式(subtractive manufacturing)は原材料を削り出して部品を作るため無駄が多かったが、

3Dプリントは部品を作るために 正確に必要な量だけの素材のみを使用します。

このおかげで、より持続可能な、環境にやさしい製造方法で評価されています。

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さらに、3D印刷は 従来の方法では不可能または非常に難しい複雑な形状も製作できる優れた設計自由度を提供します。

この柔軟性のおかげで設計の可能性が大幅に広がるだけでなく、 複数のステップを経なければならなかった製造工程も簡素化になり、全体のコストを節約できます。

最後に、Meltioの3D印刷技術は、従来の鍛造や切削加工と比較したとき エネルギー効率が非常に優れていますします。

したがって、 より環境にやさしいが経済的な代替として注目されています。

 

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5. 従来のチタン加工方式の難しさ

従来の方法でチタンを加工するには、いくつかの困難があります。

これらの問題は 製造プロセスの複雑さとコストの増加につながります。

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⚠️加工が難しい素材

チタンはあまり硬くて工具が簡単に磨耗し、作業時間が長くかかる方です。

しかし、ワイヤーフィラーを使用する方法は、より経済的な溶接方法であり、材料の消費と後加工時間を短縮する代わりになることができます。

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⚠️高い生産コスト

チタンは材料自体が高価であり、従来のプロセスは切削と同様に不要な材料損失が多い。

一方、積層製造は必要量だけ使用する高効率プロセスであるため、材料の無駄を低減し、

より少ないレーザー出力でも素早く加工でき、エネルギー効率の面でも有利です。

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⚠️溶接の難しさ

チタンは空気中にさらされると酸化が非常に速く起こる金属です。

そのため、溶接する際は必ず酸素が遮断された保護雰囲気が必要であり、これにより工程がより複雑でコストも増加することになります。

 

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6. Meltioの3D印刷がスマートな選択である理由

Meltioの3D印刷は、伝統的な方法で発生するいくつかの問題を効果的に解決します 現代的な代替これです。

具体的にどんな点で有利なのか一つずつ見てみましょう。

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✅素材の無駄を最小限に抑える

従来の切削加工方法とは異なり、3D印刷は必要なだけ材料を積み重ねています。

必要なだけ使用することで材料の無駄を減らし、はるかに効率的な生産が可能です。

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✅ より自由な設計

複雑な形状や精密な構造もMeltioの印刷技術であれば製作が容易になります。

これらの設計の柔軟性は さらに革新を可能にし、 従来の方法では難しかったデザインも実現できますよ。

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✅生産コストの削減

素材を少なく使い、工程も簡素化されるから 全体的な生産コストを下げる効果があります。

複雑な後加工や多段階加工工程を減らすこともコスト削減に大きな助けになります。

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✅エネルギー効率に優れています

鍛造や切削加工と比較すると、Meltioの3Dプリントは 必要なエネルギーがはるかに少ない。

このおかげで より環境に優しい持続可能な製造方法と評価されています。

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このように様々な利点のおかげで、Meltioの3D印刷は チタン加工分野の板図を変える技術として浮上しています。

効率性、コスト効率、環境にやさしいものまですべて満足させることができるスマートな選択です。

 

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7. Ti64が使用される主要産業分野

Ti-6Al-4V、しばしばTi64と呼ばれるこのチタン合金は、さまざまな産業群で広く活用されています。

それだけ活用性が高く、特定産業のニーズによく合う性能を提供します。

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■航空宇宙産業（Aerospace industry）

航空宇宙部品は 軽いが過酷な環境でも耐えなければならない特性これが必要です。

Ti64は 強度に対する重量比が優れています、疲労強度、破壊靭性、耐腐食性に優れ、航空機構造部品に理想的な素材として活用されています。

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■自動車産業（Automotive industry）

Ti64は**エンジン部品（バルブ、ピストン）**と サスペンションシステムのように高性能が要求される部品に主に使用されます。

特に、高性能車両では軽量化と耐久性を同時に満足できるため好ましい。

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■エネルギー産業（エネルギー産業）

風力発電： 極端な環境でも強度と耐食性を必要とする風力タービン部品に使用されます。

発電所： 高温でも耐えられ、発電機部品や熱交換器などにも適用されます。

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■海洋産業（マリン工業）

海水と接触する環境で腐食は最大の問題になりますが、

Ti64は優れた耐食性のおかげで、海洋構造物や船舶部品、潜水装置などにも適した素材です。

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■防衛産業（Defense industry）

Ti64は衝撃と高温に強く、耐久性にも優れており、軍用装備にも幅広く使用されています。

装甲車や武器システムなど、強度と信頼性が重要な部品に適した素材として評価されています。

 

 

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8. Meltioシステムに出力したTi64の微細組織

積層製造方式で出力したTi64の微細組織は、高速凝固と結晶粒成長方向性に大きく影響されます。

鍛造されたTi64が一般に等軸組織（equiaxial structure）を持つのとは異なり、AM方式では、細長型（columnar）または針状型（acicular）組織が多く観察されます。

これは急速な冷却速度によるものであり、Meltioシステムでもこの特性がはっきりと見えます。

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✅Meltio出力の特徴的な結晶組織

Meltio機器に出力されたTi64の微細組織を見ると、結晶粒境界(grain boundary)がはっきりと区別されます。

これは溶融状態で凝固した構造の特徴であり、熱処理なしでも形成が可能であることが特徴です。

また、出力過程での熱供給が特定の方向に集中し、層を積み上げる方向に細長い結晶が成長する傾向が見られます。