金属3DプリンタのPBF方式をやさしく解説：使える材料の種類
金属3Dプリンタの中で現在最も普及している方式が「PBF（パウダーベッド方式）」です。金属粉末を平らに敷き詰め、レーザーや電子ビームで溶かしながら積層していきます。この記事では、PBF方式で使われる金属材料の種類・熱源による使い分け・最新の研究開発動向をまとめて解説します。「どんな材料が使えるのか」「レーザーと電子ビームで何が違うのか」という疑問に答えながら、材料選定の考え方を身につけていただければと思います。
① PBF方式とは：レーザー方式（L-PBF）と電子ビーム方式（EB-PBF）
PBF（Powder Bed Fusion：粉末床溶融結合法）は、金属粉末を薄く敷き詰め、設計データに従って熱源を照射・溶融→凝固→次の層へ、というプロセスを繰り返す方式です。現在、金属3Dプリンタ全体の約8割はPBF方式が占めるとされており、産業界での主力技術です。
L-PBFはレーザーを照射位置決めするミラーで制御する方式で、造形中は酸化を防ぐためアルゴンなどの不活性ガスを充満させます。一方のEB-PBFは電気的に照射方向を制御するため位置決めが高速で、さらに真空環境下で造形することから活性金属（チタン等）の酸化を根本的に抑えられます。また、造形前の予熱プロセスにより残留応力が少なく、サポート材の量も減らせるのが特徴です。
② PBF方式で使われる主な金属材料
以下は現在PBF装置で商用利用されている材料群の一覧です。L-PBFのみ対応・EB-PBFのみ対応・両方対応をバッジで示しています。
| カテゴリ | 主な材料グレード | 方式 | 主な用途 |
|---|---|---|---|
| ステンレス鋼 | SUS316L、17-4PH（SUS630） | L-PBF | 汎用部品、医療器具、食品機械 |
| 工具鋼・マルエージング鋼 | Maraging300、H13相当鋼 | L-PBF | 金型・金型入れ子、工具 |
| アルミ合金 | AlSi10Mg、AlSi7Mg、Scalmalloy | L-PBF | 航空・自動車の軽量部品 |
| チタン合金 | Ti-6Al-4V（Grade 5）、純Ti | 両方 | 航空宇宙部品、医療インプラント |
| ニッケル基超合金 | Inconel 625、Inconel 718、Haynes 282 | 両方 | 航空エンジン、高温耐食部品 |
| コバルトクロム合金 | CoCrMo | 両方 | 医療・歯科インプラント |
| 銅・銅合金 | 純銅、CuCrZr（クロム銅） | 両方 | 熱交換器、誘導加熱コイル、電気部品 |
| 高融点金属 | W（タングステン）、Mo（モリブデン） | EB-PBF | 核融合部品、放熱材料、電子部品 |
| 貴金属 | Au合金、Pt合金 | L-PBF | 宝飾品、歯科補綴 |
※ EB-PBF専用材料は真空環境・高出力の特性を活かしたもの。L-PBFの対応材料はサードパーティ粉末も含め非常に豊富で、メーカーの推奨粉末以外も条件最適化次第で造形可能です。
③ 主要材料の特性比較
代表的な材料を「強度・耐熱性・耐食性・熱・電気伝導性・造形難易度の低さ」の5軸でプロットしました。目的に合った材料の選定に役立てていただければ幸いです。
※ 各スコアは筆者の調査に基づく相対評価（5段階）。造形難易度の低さ＝スコアが高いほど造形しやすいことを示します。
④ 材料グループ別の詳細解説
チタン合金（Ti-6Al-4V）
PBFで最もよく使われる難削材のひとつです。比強度（強度／密度）が非常に高く、耐食性にも優れるため航空宇宙・医療分野で広く使われています。L-PBFでは不活性ガス雰囲気が必要ですが、EB-PBFでは真空環境により酸化をより確実に防げるため、両方式が実用化されています。Ti-6Al-4Vは従来切削加工で製造する場合、難削性ゆえにリードタイムとコストが高くなりがちでしたが、PBFでは粉末を必要な分だけ溶融するため材料ロスが少なく、複雑形状も一体成形できます。
ニッケル基超合金（Inconel 625 / 718）
高温・高圧・腐食環境での使用を前提とした材料で、航空エンジンのタービン部品や石油・ガス向け部品に使われます。Inconel 718はL-PBFで造形後に析出硬化処理（エイジング）を施すことで1,000MPa超の引張強度が得られます。熊本大学の研究では、L-PBFで作製したInconel 718の「階層界面」による新しい強化メカニズムが2024年に報告されており、積層造形ならではの組織設計の可能性が示されています。
ステンレス鋼（SUS316L / 17-4PH）
PBFで最も標準的に使われる金属のひとつです。SUS316L（L-PBF向けのオーステナイト系）は医療器具・食品機械に、17-4PH（析出硬化系）は金型インサートや産業機械部品に活用されています。粉末コストと造形安定性のバランスが良く、条件最適化が進んでいるため初期導入材料として選ばれることが多い材料です。
アルミ合金（AlSi10Mg / Scalmalloy）
軽量化が求められる航空・自動車部品向けの主力材料です。AlSi10Mgは熱伝導率が高くレーザー吸収率が低いという造形上の課題がありましたが、現在は条件が十分最適化されています。より高強度な用途向けには、APWORKS社が開発したScalmalloy（Al-Mg-Sc系）が注目されており、AlSi10Mgを大きく上回る強度を示します。
銅・純銅（Cu / CuCrZr）
銅はL-PBFでの造形が難しい材料の代表格でした。近赤外レーザー（1μm帯）の吸収率が非常に低いためです。しかし2024年にJX金属が独自表面処理を施した純銅粉末を開発し、一般的な400〜500W出力のL-PBF装置で純銅に匹敵する電気伝導率（99%IACS以上）を持つ造形物の作製に成功したことが発表されました。熱交換器や誘導加熱コイルへの応用が期待されています。EB-PBFでは電子ビームが銅に対して高い吸収率を持つため、以前から純銅の造形に対応しています。
高融点金属（W・Mo）
タングステン（融点3,422℃）やモリブデン（2,623℃）はEB-PBFの対象材料として研究が進んでいます。核融合炉のダイバータ（プラズマ対向部品）や放熱材料、電子部品向けのニッチな用途ですが、これらの材料を複雑形状で造形できる手段がPBF以外にほぼないため、研究開発が活発です。緻密化とクラック抑制が主要な技術課題です。
⑤ L-PBF と EB-PBF の造形特性比較
| 比較項目 | L-PBF（レーザー） | EB-PBF（電子ビーム） |
|---|---|---|
| 熱源 | ファイバーレーザー（近赤外 1μm帯） | 電子ビーム（高出力） |
| 雰囲気 | 不活性ガス（Ar） | 真空（10⁻³〜10⁻⁵ Pa） |
| 造形速度 | 標準〜速い（マルチレーザーで向上） | 速い（磁気レンズで高速スキャン） |
| 残留応力 | 比較的大きい（サポート設計が重要） | 少ない（予熱プロセス効果） |
| 表面粗さ | 良好（Ra 5〜15μm程度） | やや粗い（Ra 20〜35μm程度） |
| 装置コスト | 比較的低〜中 | 高い（真空チャンバー必要） |
| 得意な材料 | ステンレス、アルミ、工具鋼、チタン | チタン、高融点金属、純銅 |
⑥ 材料面での研究開発動向（2024〜2025年）
① 純銅のL-PBF対応
JX金属がAlloyed社と共同で表面処理銅粉を開発。400〜500W出力の標準L-PBF装置で純銅と同等の電気・熱伝導性を達成（2024年）。
② HEAのワンプロセス合成
大阪大学が純金属粉末5種を混合してL-PBFでハイエントロピー合金を一工程合成。超急冷（最大10⁷℃/s）で均一固溶体を実現（2025年）。
③ Inconel 718の強化機構解明
熊本大学がL-PBF製Inconel 718の「階層界面」による新たな強化メカニズムをAdditive Manufacturing誌で報告（2024年）。
④ Al合金の溶融池解析
名古屋大学がL-PBF製Alの溶融池境界と内部で強度特性が異なることをマイクロピラー試験で実証。組織制御の指針を提示（2025年）。
⑤ 高融点金属への展開
EB-PBFによるW・Mo造形の研究が活発化。緻密化とクラック抑制が主要課題で、核融合・放熱材料への応用が期待されている。
⑥ 粉末特性最適化
粒度分布がレーザー吸収率・スパッタ挙動・造形密度に与える影響を系統的に解明する研究が進行中（J-STAGE, 2024年）。
⑦ 産業分野別の主な使用材料
🛫 航空宇宙
Ti-6Al-4V・Inconel 718・Inconel 625が主力。軽量化・一体成形・複雑流路の実現が導入理由。
🦷 医療・歯科
CoCrMo・Ti-6Al-4V・純Tiが多用。患者ごとのカスタム形状に対応でき、インプラント・補綴に最適。
🔧 金型・工具
Maraging鋼・H13相当鋼・SUS316Lが中心。金型入れ子への内部冷却流路造形でサイクルタイム短縮。
🚗 自動車
AlSi10Mg・Scalmalloyで軽量部品。ラティス構造による大幅な軽量化が実証されている。
⚡ 電気・熱交換
純銅・CuCrZrで熱交換器・誘導コイル。L-PBFでの純銅造形が実用化に近づいており注目度が高い。
🔬 研究・先端材料
ハイエントロピー合金・高融点金属（W・Mo）・Scalmalloy等の新材料開発のプラットフォームとして活用。
⑧ まとめ：PBF方式の材料選定で押さえておきたいこと
PBF方式では、熱源の違い（L-PBF／EB-PBF）によって得意な材料が明確に分かれます。L-PBFはステンレス・アルミ・工具鋼など汎用材料の造形に幅広く対応し、EB-PBFはチタンや高融点金属など活性・難溶融材料での優位性があります。
材料選定で特に注目すべきなのは銅です。近赤外レーザーの吸収率が低いという物性的な制約が長年の課題でしたが、粉末表面処理という材料側のアプローチで実用化が近づいています。熱交換器や誘導コイルなど、複雑流路が求められる用途での活用が広がると考えられます。
また、ハイエントロピー合金のワンプロセス合成に代表されるように、PBFは「形状を作る装置」から「材料そのものを設計するプラットフォーム」へと役割が広がりつつあります。材料開発とプロセス開発を同時に進めるアプローチが、今後のAM分野の主流になっていくでしょう。
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