高速／高強度の金属3Dプリンティングを実現する、ステンレス鋼粉末を開発名工大と都産技研

名古屋工業大学は2022年7月11日、東京都立産業技術研究センターと共同で、より小さいエネルギー密度で、高速かつ高強度の金属3Dプリンティングができるステンレス鋼粉末を開発したと発表した。

アディティブマニュファクチャリング技術（AM技術）において、強度や耐久性に優れたハイエンド製品を造形する際には、金属3Dプリンティング技術が重要になる。また、耐食性に優れたステンレス鋼は金属3Dプリンティングの材料として期待されている。しかし金属3Dプリンティングでは、金属特有の溶融・凝固を素過程とする必要があるため、粉末の溶け残りが発生したり、冷却時の体積収縮によって内部空孔が生じやすいという課題があった。

本研究では、鋳造工学や溶接工学で応用されている異質核生成理論（ヘテロ凝固理論）を金属3Dプリンティングに応用した。同理論は、液体が固体に凝固する際に液体中に固体粒子が存在すると、それを足場として凝固が発生するというものだ。

今回、母材金属よりも高い融点を持ち、かつ母材金属の初晶となる相に対して原子配列の整合性の良いヘテロ凝固核粒子として、3Dプリンター用材料として用いられているステンレス鋼SUS316LにはSrOが適していることを見出した。これを母材金属粉末と混合して造形すると凝固が均一になり、内部欠陥が抑えられるため、密度の高い造形ができる。

また、母材のSUS316Lのみの場合と比較して、造形速度を上げても相対密度が低下しないため、高速造形ができる。さらに引張り強さに関しても、母材のみの場合よりも向上した。

今回開発したSUS316Lステンレス鋼粉末を用いて造形した、名古屋工業大学学章メダルの写真を以下に示した。

SUS316Lは、人工関節や骨接合材などに適用されている生体材料だが、今回開発した材料はSUS316Lと同等の耐食性を持つため、医療分野への展開も可能になるという。

今回開発した手法は、母材金属に適したヘテロ凝固核粒子を選定することで、他の金属や合金類にも応用可能だ。今後、他のステンレス鋼や合金類など、3Dプリンティング技術に応用が期待される材料に対しても、同様の効果が現れるような組み合わせを調査していく。

高速／高強度の金属3Dプリンティングを実現する、ステンレス鋼粉末を開発　名工大と都産技研