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。
② PBF方式で使われる主な金属材料
| 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 |
③ 主要材料の特性比較
※ 各スコアは相対評価（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。
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。
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。
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） |
| 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）
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）。
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）。
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）。
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）。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。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。
