Digital Alloys CEOダンカン・マッカラム氏インタビュー：ジュール・プリンティングと金属3D製造の未来

昨今の金属3Dプリンティングの台頭は広く知られています。新規参入企業が急速に市場に現れる中、Digital Alloysもこの進化に貢献する一社です。2017年設立のDigital Alloysは、高速金属アディティブ・マニュファクチャリング向けの特許技術「ジュール・プリンティング」を開発しました。この技術は、より高速な生産速度、より低いコスト、従来製造に匹敵する高品質な部品を約束します。本年には1,290万ドルのシリーズB資金調達に成功し、同社は金属3Dプリンティング市場を破壊する道を順調に進んでいます。
 
Digital AlloysのCEO、ダンカン・マッカラム氏にジュール・プリンティングと金属3Dプリンティングの未来について語っていただきました。
 
Digital Alloysは最近、ジュール・プリンティング技術に関する2件の新特許で話題になりました。この技術の仕組みを説明していただけますか？
 

まず、私たちが解決しようとしている問題から始めましょう：今日、生産用途で3Dプリンティングを使いたい場合、優れた選択肢がほとんどありません。システムが遅すぎ、生産コストが高すぎ、プロセスが複雑すぎるためです。これにより、一貫して高品質な金属部品を得ることが困難です。

 
ジュール・プリンティングでこれらの問題を解決します。この技術ではワイヤーを使用します。ワイヤーは粉末や他の材料と比べて安価です。ワイヤーを精密な動作システムと精密ワイヤー供給装置にセットします。ワイヤーの先端を、プリントラインを開始したい部品の位置に移動させ、部品に接触させます。その後、ワイヤーに電流を流して部品へと通電することで、ワイヤーの先端を溶融させます。物理学ではこれを抵抗加熱、またはジュール加熱と呼びます。トースターのヒーターと同じ原理です。
 
ジュール・プリンティング技術の利点は何ですか？
 
ジュール加熱を用いると、金属を内部から加熱できます。熱時定数がないため、非常に少ないエネルギーで金属を急速に加熱できます。つまり、熱力学的な速度制限がなく、精度と精緻さを保って移動できる速度でプリント可能です。年内に5〜10kg/時間の達成を目指しています。非常に高速で原材料コストが低いため、全体的な生産コストを大幅に削減できます。
 
さらに、溶融プールで起きていることを正確に測定できます。溶融プールの位置、供給される金属量、印加される熱量を正確に把握できます。これらすべてのパラメータを用いてリアルタイムで制御するため、タイトなクローズドループシステムとなり、プロセスデータを取得してオフラインで分析することも可能です。
 
結果として、極めて高速かつ高品質で金属をプリントでき、多くの用途で従来製造よりも安価に生産できるシステムが実現します。
 
ジュール・プリンティングは、市場にある他の金属AMシステムとどう比較されますか？
 
他に3つの技術カテゴリーがあります。最も普及しているのは粉末床溶融結合です。薄い層に金属粉末を広げ、レーザーや電子ビームで溶融させます。
 
粉末床溶融結合の課題は、粉末が非常に高価で、プロセスで大量に廃棄されるため材料コストが極めて高くなることです。また、粉末を溶融する速度に制限があります。上から加熱するため、熱が粉末を通過するのを待たなければなりません。これはターキーを調理するのと似ています。必ず数時間かかります。より強い熱を加えてもターキーの表面が焦げるだけで速くはできません。同様に、粉末床溶融結合でも粉末を気化させるだけです。全体として、部品製造にかなり高コストで複雑な方法です。
 
2つ目のカテゴリーはバインダー・ジェッティングです。バインダー・ジェッティングシステムは速度の問題に取り組んでいます。より低グレードの粉末を使用するため安価ですが、材料はワイヤーよりはるかに高価です。システムは層ごとに接着剤を噴射し、いわゆる「グリーンパーツ」を作ります。グリーンパーツは通常20%が接着剤です。接着剤を化学浴で除去し、炉で焼結します。これにより20%収縮させて完全な強度と密度の金属を得ようとします。
 
このプロセスは、小さく薄い部品（野球ボールより小さい）にはかなりうまく機能します。しかし、部品の壁厚が約1センチより厚い場合、十分な熱を部品内部に伝えられないため、完全密度まで収縮させることはできません。また、厚い壁を20%収縮させるのは寸法変化が大きすぎ、寸法精度の維持が困難です。結果として、この技術は壁厚1センチ以上の部品や大型部品にはあまり適していません。
 
3つ目のカテゴリーは直接エネルギー堆積（DED）、特にワイヤー式システムです。これらもワイヤーを使用しますが、太いワイヤー（典型的に直径3mm）を使用します。レーザー、電子ビーム、アークでワイヤーを溶融させます。アーク溶接のようなイメージです。
 
これらのシステムはかなり高いプリント速度を達成できますが、課題は解像度です。溶融金属が滴下または噴霧されるため、プリントラインがワイヤーよりも太くなります。これにより、粗い低解像度の部品しか作れません。また、溶融金属が滴下・噴霧されるため、オーバーハング形状のプリントが困難で、部品形状に制約があります。DEDマシンは、そのように金属を溶かすには大電力が必要なため高価になりがちです。そのため、航空機フレームのような非常に大型部品には用いられますが、高解像度が求められる用途にはあまり適していません。
 
つまり、ジュール・プリンティング技術の動機は、これらすべての問題を解決することだったのですね？
 
その通りです。速度、生産コスト、品質の問題を解決するためです。
 
速度、コスト、部品品質以外に、金属3Dプリンティングを生産採用しようとする企業が直面する課題は何ですか？
 
どの技術がどの用途に最適かを慎重に見極めることが課題です。解決すべき問題を明確にし、それに適したツールを選ぶことが重要です。
 
これは従来製造と同じです。すべての金属部品が同じ方法で作られるわけではありません。切削加工されるものもあれば、鍛造、プレス、鋳造されるものもあります。すべての問題に対応できる万能なアプローチは存在しません。金属3Dプリンティングも同じです。
 
今後5年間で金属3Dプリンティングはどう進化するとお考えですか？
 

現在、金属3Dプリンティングは約20億ドルの産業ですが、5年後には300億ドルの産業になると予想しています。

 
これは3Dプリンティングの3つの大きなメリットによるものです。第一に、工具を作らずに設計から直接部品へ移行できるため、大幅な時間短縮が可能です。第二に、従来製造では不可能な興味深い形状を実現できます。第三に、適切な技術を適切な用途に選べば、生産コストを大幅に削減できます。
 
この進化においてDigital Alloysはどのような役割を果たしますか？
 
Digital Alloysは大きな役割を果たします。非常に多くの部品カテゴリーで従来製造よりも安価だからです。これにより、部品を再設計したり他の変更を加えたりせずに、当社の技術で生産コストを削減できます。これは顧客にとって非常に魅力的です。
 
ジュール・プリンティングでどの業界をターゲットにしていますか？

 
まずプリント部品の提供者として始め、2020年初頭にプリンターの出荷を開始する予定です。最初のアプリケーションでは、従来製造に比べて生産コストを削減できる分野に注力します。特に、チタン、工具鋼、ニッケル合金、ステンレス鋼など、切削が難しい金属から削り出される部品で効果が顕著です。
 
ジュール・プリンティングでは、ニア・ネット・シェイプの部品をプリントすることで、スクラップと荒加工を排除し、大幅なコスト削減を実現します。一例として、航空宇宙、医療機器、海洋産業で使われるチタン部品が挙げられます。もう一つは工具分野です。工具鋼は切削が非常に困難ですが、3Dプリンティングなら工具に冷却チャネルを内蔵できます。例えば、内部冷却チャネルを持つダイカスト用インサートなら、より速く冷却でき、サイクルタイムを短縮できます。これらの顧客は自動車、消費財、航空宇宙分野です。
 
アディティブ・マニュファクチャリングを見て、最もワクワクするトレンドは何ですか？
 

プロトタイピングから生産へのシフトです。それが現在最大のトレンドです。

 
Digital Alloysの未来はどうなりますか？
 
2019年に最初の工場を建設します。生産現場では技術だけでなく、オペレーターの採用・教育、サプライチェーン構築、品質保証、認証、規制承認の取得などが必要です。これらをまず自社で実践し、お客様が追随しやすいようにします。その後、2020年初頭にプリンターの出荷を開始する計画です。
 
Digital Alloysの詳細は https://www.digitalalloys.com/.