金属3Dプリンターの基礎知識

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金属3Dプリンターの基礎知識

金属３Ｄプリンターの仕組みなどを解説

金属３Ｄプリンターの活用が進むなかで、基礎的な知識や造形原理への理解は、製造業に携わる方に重要な判断材料となります
金属３Ｄプリンターの基本的な仕組みや特徴、対応する材料、どのような用途に向いているのかなどをわかりやすく解説しています
弊社は金属粉末を高出力レーザーで溶融・凝固させて積層していくパウダーベッド方式(PBF)を採用し、複雑かつ高精度な造形を手掛けています

金属３Ｄプリンターとは

金属３Ｄプリンターに関する基礎知識は、世の中にあまり知られていません
これは、金属３Ｄプリンターに触れる機会が少なく、知見を蓄積することが難しいからです
金属３Ｄプリンターとは、その名の通り金属材料が使える３Ｄプリンターです
使える材料はメーカーや方式によって様々ですが、工具鋼やアルミ合金、ステンレス鋼やチタン合金、銅合金などの素材を造形することができます
従来工法の材料とは機械特性においてもメーカーや機種により異なるものの、樹脂とは違う金属造形ならではの強度や耐熱性の高い部品を３Ｄプリンターで造形することができます
樹脂材料での造形も含めた一般的な３Ｄプリンターでできることと、樹脂の３Ｄプリンターでは再現できない、金属３Ｄプリンターならではの特徴を分けて考えることが金属３Ｄプリンターを有効に使うメリットを理解する近道になります
株式会社Ｊ・３Ｄでは何年も金属３Ｄプリンターと向き合い、多くの知識と経験を積み重ねてきました
そこで培った経験に基づいた基礎知識をまとめました
これらの基礎知識は今後もまだまだ増え続けているため、最新の知識を出来る範囲で公開していきますので、ぜひご活用ください

金属３Ｄプリンターの種類

金属３Ｄプリンターでもっとも主流に部品製作に使用されている工法は金属粉末を使用するパウダーベッドフュージョン方式(ＰＢＦ)です
装置の造形エリアに金属粉末を均一の厚みで敷き、製品データ形状部にレーザービームや電子ビームを照射し、溶融・焼結させながら積層していく方式です
近年ではそれ以外にも指向性エネルギー堆積法式(ＤＥＤ)、バインダージェット方式、ＦＤＭ方式、アーク溶接方式など新しい方式の金属３Ｄプリンターも様々なメーカーからリリースされています
方式やメーカー、素材の成分や工程などが違えば、完成する金属の特性(強度や機械的物性値)も違うため、用途に応じて使用する方式、メーカー、素材を選定する事が重要です
以下に金属３Ｄプリンターの主な種類についてまとめましたので、是非、ご参考にしてください

パウダーベッドフュージョンとは

金属３Ｄプリンターは様々な方式が開発されていますが、パウダーベッド方式(ＰＢＦ)と指向性エネルギー堆積法(ＤＥＤ)、ＦＤＭ方式、アーク溶接方式、バインダージェット方式などに分けられます。
各種の方式については設備の価格も造形時間も精度も違います。　
それぞれの方式でもできる事、できない事がもちろん存在し、得意不得意もあります。
はじめに、世の中でもっとも普及している金属３Ｄプリンターの方式の概要や特徴と課題を交えて解説いたします

・パウダーベッド方式(ＰＢＦ)
パウダーベッド方式では１粒のサイズが10μm～60μm程度の球形の金属粉末を均一の厚みに敷き詰めて、敷き詰めた金属粉末にレーザーや電子ビームを照射して必要な部分を溶かして固めていく方法になります。
積層厚みは一層が20μm～50μm程度で一層毎に金属粉末を敷き詰めて、溶融を繰り返し、積み重ねて造形します。
レーザーを照射しない箇所の粉末は溶融しないため、レーザーを照射した造形品は粉末の中に埋もれながら完成していきます。
取り出しの際は溶融されていない金属粉末を除去して取り出す必要があります。
除去した粉末は再利用するため、回収後に専用のふるい機にかけて、粒径を揃え、再利用されます。
また、オーバーハングしている箇所や、中空箇所にはサポート材という補助材をつける必要があり、それを除去する工程も必要となります。
パウダーベッド方式は現在ではもっとも主流な金属造形方式です。
国内外の多くなメーカーからリリースされています。
海外メーカーでは下記のようなメーカーがあります。
ＥＯＳ、ＣｏｌｉｂｒｉｕｍＡｄｄｉｔｉｖｅ、ＮｉｋｏｎＳＬＭＳｏｌｕｔｉｏｎｓ、３ＤＳｙｓｔｅｍｓ、ＴＲＵＭＰＦ、ＲＥＮＩＳＨＡＷ、Ｅ－Ｐｌｕｓ、Ｖｅｌｏ３Ｄ、
Ｏ.Ｒ. Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ　ＩＬＴ、Ａｃｏｎｉｔｙ３Ｄ、ＡｄｄＵＰ、ＦａｒｓｏｏｎＴｅｃｎｏｌｏｇｉｅｓ、ＺＲａｐｉｄなどの金属３Ｄプリンターがあります。
そしてＡｒｃａｍ、日本電子という電子ビームを用いた金属３Ｄプリンターなどもあります。
日本のメーカーでは下記のようなメーカーがあります。
松浦機械製作所、Ｓｏｄｉｃｋ、ＤＭＧ森精機、アスペクトなどツール加工もできるハイブリッド金属３Ｄプリンターなどがあります。
パウダーベッド方式の金属３Ｄプリンターの利点は再現性が高く、寸法精度も良いことですが、造形エリアを大きくすると価格が高価になる、造形時間がかかるなどの課題も多くあります。
しかし、最近では造形範囲を複数レーザー搭載により大きくすることが可能になり、また速度についてもレーザーの出力を上げるなどの改善もされています。
造形可能な金属としてはマルエージング鋼、ステンレス合金（ＳＵＳ３１６Ｌ、１７－４ＰＨ）、インコネル７１８、インコネル６２５、アルミニウム合金（ＡｌＳｉ１０Ｍｇ）、
コバルトクロム、チタン合金、ＳＫＤ６１相当材、銅合金などがあり、その他の金属はまだ一般的ではないのが現状です。
パウダーベッドフュージョンの３Ｄプリンターの装置価格帯は5000万円から5億円程度と幅広いですが、サイズが大きくなれば、それ以上の価格の装置もあります。

指向性エネルギー堆積法（ＤＥＤ）とは

指向性エネルギー堆積法（ＤＥＤ）は溶かした金属材料を焼結させて造形する方法です。
主にレーザを熱源とし、ノズルから金属パウダーや金属ワイヤーを集めるように射出し、中心にレーザを照射することで金属が溶けて焼結されるような工法になります。
X、Ｙ、Z軸の長さを変えるだけで大型造形物も造形ができます。
また、バーチカルテーブルを使うことによりあらゆる方向からの造形が可能になるため、より早く、高速に造形することが可能です。
加えて、レーザークラッディングが可能です。
レーザークラッディングとは摩耗した部分に肉盛り補修する技術のことを指しています。
これにより金型の補修、部品の補修などにも効果があり大きな期待をされています。
そのほかにも金属粉の供給経路を切り替えることで、異種金属の造形が可能なので、摩耗部分にはあらかじめ摩耗性の高い材料をのせコーティングしたり、焼き付き防止をすることも可能です。
また、パウダーの除去作業もありませんので効率的に造形物を作り上げることができます。
しかし、パウダーベッド方式と比較すると精度が落ちることと積層跡が大きくつくことがデメリットになります。
日本では、ＤＭＧ森精機、ニデックマシンツール、東芝機械、ニコン、マザック、村谷機械製作所などのメーカーが装置を開発しています。
海外ではTRUMPF、 InssTek、RPM INNOVATIONS、OPTMEC、BeAMなどの多くのメーカーからリリースされています。
パウダーベッド方式ほど金属粉末の大きさ、形状に制約がないため、安価な材料を使うことも可能ですが、パウダーベッド方式で造形できる形状はできないことが多いため、使用用途が限られています。
３Ｄプリンターの装置価格帯は1億円から3億円ですが、サイズが大きくなれば、更に高価な装置も販売されています。

バインダージェット方式とは

バインダージェット方式は金属粉末にバインダー(液体結合剤)を噴射して結合させながら造形する工法です。
造形時にバインダーを使用することから造形後、バインダーを除去してから、完成品にします。
いわゆるＭＩＭ（金属粉末射出成形）と同じような工程になります。
熱変異を見極めることで量産に使えると注目されていますが、パウダーベッド方式や指向性エネルギー堆積法と比較すると密度が悪くなるので製品のご使用用途には注意が必要です。
造形速度自体は他の工法と比較すると速いですが、後工程(バインダー除去や焼結)の時間が課題です。
装置メーカーとしてはヘガネス、Hp、ExOneなどのメーカーがあります。
３Ｄプリンターの装置価格帯は3000万円～1億円程度になります。

金属材料について

・マルエージング鋼
：高強度・高硬度の特殊鋼。金型部品や強度が必要な部品に適しています

・インコネル７１８相当
：耐熱・耐食性に優れたニッケル基合金ジェットエンジンやガスタービン部品に多用されます

・アルミニウム合金(ＡｌＳｉ１０Ｍｇ)
：軽量で熱伝導率が高い合金。自動車や航空宇宙分野の軽量化部品に使われます

・純チタン2種相当(ＴｉＣＰ)
：高強度・軽量・生体適合性を備え、航空宇宙や医療インプラントに適しています

・ステンレス合金(ＳＵＳ３１６Ｌ)
：耐食性に優れたステンレス鋼。医療や化学プラントなどの部品に用いられます

・ＳＫＤ６１相当(ＨＴＣ４５)
：アルミダイカスト金型部品向けなどの、金型用材料も対応実績があります

・ＰＡ２２００(１２ナイロン)
：ポリアミド１２ベースのファインパウダーです　高い結晶度と高い融点の特徴があります