・はじめに

金属３Ｄプリンターの代表的な方式は大きく分けて３種類あります。

それらの方式にはそれぞれに特徴があり、得意不得意が存在しています。

現在も金属３Ｄプリンターは様々な方式が開発されていますが、今現在ではパウダーベッド方式と指向性エネルギー堆積法、FDM方式、アーク溶接方式、バインダージェット方式、超音速堆積法、液体金属堆積法に分けられます。

６種類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。　

何が出来て何が出来ないのか・・・・

その中で３種類の金属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20μm～50μmで一層一層金属粉末を敷き詰め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、回収後にふるい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部分や、浮いてしまっている部分には 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今現在では1番主流な金属３Ｄプリンターです。

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、 Colibrium Additive、Nikon SLM Solutions、3D Systems、TRUMPF、 RENISHAW、O.R. Laser technology、Aurora Labs、Fraunhofer ILT、 Aconity3D、AddUP、Farsoon Tecnologies、Velo3D、ZRapid、 SHINING3D、Intech、HBD、SISMA、BLTなどの金属３Ｄプリンター。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。

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、三菱電機、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、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。

造形可能な金属は、マルエージング鋼、 ステンレス（SUS316L）、インコネル718、インコネル625、コバルトクロム、アルミニウム（AlSi10Mg）、チタン合金、ＳＫＤ６１相当材などで、その他の金属はまだ一般的ではないのが現状です。

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

指向性エネルギー堆積法（DED）は溶かした金属材料を集積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を集めるように噴射し、中心にレーザを照射することで金属が溶けて噴射されるような方法になります。

X、Ｙ、Z軸の長さを変えるだけで簡単に大型造形物までできるようになります。

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出来るのでより早く、

高速に造形することが可能です。

また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、海外ではTRUMPF、 InssTek、RPM INNOVATIONS、OPTMEC、BeAMなど、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、形状に制約がないので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ので使用用途が限られていますが、使用するユーザーは徐々に増加してきています。

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。

・FDM方式

FDM方式はFused Deposition Modeling（熱溶解積層方式）の略語になりますが通常は樹脂の３Ｄプリンターで用いられてきましたが、金属でも可能になりました。

この方式では熱可塑性樹脂材料に金属の粉末を入れておきます。

積み重ね方は樹脂の３Ｄプリンターと全く同じになりますが、金属の場合熱可塑性樹脂材料はバインダーなので抜く必要があります。

その工程は別工程になり脱脂と呼ばれています。

脱脂された造形品はグリーン体と呼ばれ、後工程で焼結をして金属部品になります。

焼結する際はバインダーの隙間がなくなるので約20％収縮しますので、それを見越して大きく造形する必要があります。

この方式もサポート材は必要となりますが、接地面がセラミックなので簡単に取り外すことが可能です。

FDM方式の大きなメリットは設備価格が安いことです。

今まで中々参入できなかった企業様でも安心して金属３Ｄプリンターを始めることが出来ます。

しかし、金属の密度が低いことと、収縮率が課題となります。

Desktop Metalや Markforged、AirWolf3D、FLASHFORGEから発売されております。

金属強度に課題がある為、使用用途が限定される金属3Ｄプリンターです。

3Ｄプリンタ－の価格帯は200万円～4000万円

・アーク溶接方式

アーク溶接方式は溶接機器によって、連続的に溶接ワイヤとシールドガスを半自動で供給し積層していく方法です。

既存の半自動溶接機にX、Ｙ、Ｚを機械的に動かすことによりシステム化しています。

既存の汎用アーク溶接ワイヤが使用できるので、リリースされている材料であれば３Ｄプリントすることが可能です。

価格も安く汎用性が高いことから注目されている。

入力データ形式は、一般的な3Dプリンタと同様STLを使用しています。

高効率な金属3Ｄプリンタ－で、材料コストも粉末に比べ1/10とメリットも十分です。

日本では武藤工業、 富士通アイソテック、海外ではSCIAKY、Fronius、MELTIOなどがあります。

３Ｄプリンターの装置価格帯は2500万円～4000万円になります

・バインダージェット方式

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方法です。

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、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。

熱変異を見極めれば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注意が必要です。

しかし、造形速度も速いです。

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。

・超音速堆積法

超音速堆積法はまったく新しい方式の金属3Ｄプリンタ－になります。

名前の通りロケットノズルから金属粉末の入った空気を音速の3倍に加速し、吹き付ける（ぶつける）ことにより金属の粒子を結合させます。

熱源（レーザーやビーム）を使用しないので不可能であった金属材料にも対応できることから注目が集まっています。

造形速度は世界最高で、既存の金属3Ｄプリンタ－と比べると100倍～1000倍速いと言われています。


日本ではなくオーストラリアのSPEED3Dのみがこの方式になっています。

・液体金属堆積法

液体金属堆積法は密閉されたカートリッジの液体「インク」に懸濁された固体金属ナノ粒子を使用した液体金属を積み重ねていく方式の金属３Ｄプリンタ－です。

既存の金属3Ｄプリンタ－よりも滑らかさと精密さを併せ持っています。

サブミクロンレベルで堆積し高温結合させることで金属化するので歪みなども発生しにくい造形法となります。

高速大量生産も視野にいれられる金属3Ｄプリンタ－になるかもしれません。

この方式はXJet、Xeroxから発売されております。

・まとめ

様々な方式の金属３Ｄプリンターが発売され、買う側、使う側もアンテナを高しくて勉強をしていかなければなりません。

どの方式が、どんな精度で、どんな物性値の金属を再現でき、どれくらいの速さで、いくらなのか？？　造形した製品は使用可能なレベルな品質なのか？

ランニングコストは？メーカーや代理店のサービスは？保守体制や費用は？・・・・

それらを見極めないで購入するのはリスキーでもあります。

ＩＴ革命、第４次産業革命とも言われていますが、金属３Ｄプリンターはその一端を担っていくことでしょう。

日本ではまだまだ、浸透していない新しい技術ではありますが、働き手の減少も懸念されています。

もう、すぐそこまで来ている未来を見据えて、この革新的な技術に向き合ってみてはいかがでしょうか。