メタルバインダージェッティングの極意：イノベーション、応用、産業機会

上部画像：Digital Metalシステムで造形されたM5ネジ [画像提供：Digital Metal]

メタルバインダージェッティングはルネサンスを迎えています。この10年間で多数の新規参入企業が、各々独自のアプローチでこの技術を競い合っています。

その背景には、この技術が提示する魅力的な機会があります。例えば、メタルバインダージェッティングの高速性と精度は、新たな大量生産手法としての地位確立を後押しします。

では、どの開発がこの技術の成功を牽引しているのでしょうか？

本稿では、メタルバインダージェッティングの進化と、なぜ新たな製造技術として飛躍しつつあるかを解説します。

メタルバインダージェッティングの起源

メタルバインダージェッティング技術の起源は1993年、マサチューセッツ工科大学（MIT）がインクジェットベースのプロセスで金属粉末を用いた三次元造形を開発したことに遡ります。

興味深いことに、「3D Printing」という用語は、もともとMITがこのメタルバインダージェッティング技術を指して命名したものです。

製造企業エクストルード・ホーン社が1996年にMIT技術の独占ライセンスを取得。以降、メタルバインダージェッティングシステムを開発・商業化し、初号機「ProMetal RTS-300」を1999年にモトローラへ納入。

2005年にエクストルード・ホーンからスピンオフしたExOneは、2010年代初頭までメタルバインダージェッティングサービスとシステムを提供する唯一の企業でした。当時、MITの初期特許が切れ始め、新規参入の道が開かれました。

以来、メタルバインダージェッティングは「産業横断で真に生産適した技術へ」というビジョンのもと復権を遂げています。

メタルバインダージェッティングの仕組み

メタルバインダージェッティングでは、液体バインダーを選択的に噴射し、粉末粒子を層ごとに接合します。

プロセスは薄い粉末層を敷くことから始まり、プリントヘッドが戦略的にバインダー液滴を粉末層へ堆積。造形プレートが降下し、次の粉末層が敷かれます。この繰り返しで部品が完成し、未使用粉末（約95%）はリサイクルされます。

メタルバインダージェッティングでは、造形直後の部品は脆弱な「グリーン状態」にあり、焼結・浸透などの後処理で強度を付与する必要があります。

金属以外にも、砂、セラミックスなど多様な材料に適用可能です。

メタルバインダージェッティングの後処理ステップ

従来のバインダージェッティングは、プリントヘッドで液体バインダーを粉末層へ噴射する方式です。

しかし金属造形では、造形直後は「グリーン状態」すなわち機械的特性が低く、脆弱なため、各種後処理が必須です。後処理は部品を強化することを目的とし、硬化、焼結、浸透、その他仕上げ工程を含みます。

1. 硬化

グリーンパーツの強度を高め、造形ベッドから安全に取り出せるようにします。約200℃の炉で数時間加熱し、大幅に強度を向上させます。

2. 焼結

硬化後も金属部品は高多孔質です。焼結または浸透プロセスで多孔性を大幅に低減できます。通常、制御雰囲気炉で約100℃、24〜36時間加熱し、バインダーを燃焼除去。金属粒子同士が融合し、低多孔質で強度のある金属部品が得られます。ただし焼収縮は非均質になりやすく予測困難なため、設計段階で考慮が必要です。

3. 浸透

高密度化のため、バインダー焼失で生じたボイドを埋める浸透処理を行います。通常、溶融青銅を浸透させ残留ボイドを充填。これら後処理を経て金属部品の機械的特性は大幅に向上します。例えばステンレス鋼への青銅浸透で最終密度95%を達成可能です。

4. 仕上げ

任意工程ですが、研磨や金/ニッケルメッキで美観的な表面仕上げを施せます。

なぜメタルバインダージェッティングが生産技術として飛躍しているのか

メタルバインダージェッティングには生産採用を促す独自のメリットがあります。

第一に、造形プロセスで金属粉末を溶融しないため、残留応力蓄積の問題がありません。

第二に、未使用のルーズ粉末が造形部品を囲むため、サポート構造が不要。これら両利点が後処理を最小限に抑えます。

さらに、バインダージェッティングマシンはSLMやDEDベースの3Dプリンターより安価。高価なレーザーや電子ビームを使わないことが一因です。

新世代マシンは金属粉末射出成形（MIM）用粉末も使用可能。これらは3Dプリンティング専用粉末（通常ガスアトマイズ等の高価な製法で少量生産）より大幅に安価です。MIM粉末への切り替えで、運用コストをさらに引き下げられます。

安価な原料に加え、バインダージェッティングは従来製造金属部品に匹敵する機械的特性を持つ高精度部品を造形可能。また、他の金属3Dプリンティングプロセスより典型的に高速です。これら全てが相まって、非常にスケーラブルで生産適した技術となっています。

メタルバインダージェッティングを前進させる最新開発

2010年代はメタルバインダージェッティングの新時代を画しました。スタートアップから既存大手まで、複数企業が現在可能な限界を押し広げています。

ExOne、革新を継続

ExOneはメタルバインダージェッティングの老舗プレーヤーの一つ。4機種のシステムをリリースし、それぞれが前機種の進化形です。

例えば2018年、Innovent+を発表し新世代へ移行。前機種M-Flexより造形速度は劣るものの、二つの重要な新機能を搭載しました。

一つは超音波リコーター。粉末流動性向上と材料切替簡素化のために開発され、「市場で最も先進的な粉末供給技術」と謳われます。4種類のスクリーン構成で材料適合性を拡大。この機能がもう一つの鍵、標準MIM粉末の処理対応につながっています。

レーザー/電子ビーム式の他粉末床金属3Dプリンターは、専用調合粉末を必要としますが、それらは従来金属加工材料より高価です。Innovent+でMIM粉末対応を実現し、ユーザーにコスト削減と材料柔軟性を提供します。

革新を継続し、Innovent+の技術をスケールアップした量産機X1 25PROを先月発表。大型造形体積400×250×250 mmで最大10材料を同時造形可能。高解像度、厳しい公差、改善された表面仕上げで産業用金属部品生産を可能にする狙いです。

Digital Metal：メタルバインダージェッティングの自動化

金属粉末大手ヘグネスグループ傘下のDigital Metalも、メタルバインダージェッティング開発で存在感を示します。

2012年設立、2013年からサービス提供を開始。2017年にDM P2500を発売、小型複雑部品のシリーズ生産を狙います。

0.042 mm厚の粉末層を敷き、部品形状に合わせてバインダーを噴射。このプロセスは精度と再現性に優れ、35ミクロン解像度で微小かつ極めて詳細な部品を製造可能。後続焼結で平均表面粗さRa 6.0ミクロンを達成し、内部流路等のフィーチャーを持つ多くのエンドユース部品に十分なレベルです。

Digital Metalのプリンターは航空宇宙、高級品、歯科工具、産業機器等で累計30万個以上の部品を製造済み。

さらなる前進として、昨年完全自動化生産コンセプトを発表。ロボットがビルドボックスの供給から後処理用取り出しまで大半の工程を担い、手作業を排除して連続大量生産を実現。この「ノーハンド生産ライン」でメタルバインダージェッティングは巨大な一歩を踏み出しました。

HP Metal Jet：3Dプリンティングをコスト競争力ある生産選択肢へ

2016年にポリマー向けMulti Jet Fusionを発表したHPは、2018年にバインダージェッティングベースのMetal Jet 3Dプリンティングシステムを発表。

独自の優位性は革新的なプリントヘッドとインク技術。本来高速なバインダージェッティングに、プリントヘッド技術の知見を注ぎさらに高速化。Metal Jetは5,280ノズルを持つ6基のプリントヘッドを搭載し、複数列ノズルが生産性と信頼性を向上させます。

さらにインク技術の専門性を活かし、焼結をより速く安くする革新的バインダーを開発。

「MIMでは重量比10%以上のバインダーを焼き切る必要があるが、当社は1%未満。桁違いに少なく、焼結がより速く、低コスト、かつ遥かにシンプルになる」とHPグローバルメタル責任者ティム・ウェバー氏（AMFGインタビュー談）。

これらが相まって、従来生産技術と匹敵する経済性と効率性を実現する金属3Dプリンターが誕生。HPはマシン販売でなくパーツ生産サービスから開始し、2020年に商用化を予定。HPの主張通りなら、Metal Jetは大量生産における金属3Dプリンティングの持続的価値提案を解き放つ鍵となり得ます。

3DEO：バインダージェッティングと切削の融合

多くの企業が金属3Dプリンティングを他製造技術と競合させようとしています。2016年設立の3DEOは、メタルバインダージェッティングで大量生産を可能にすることを目指し、プロセスを根本から再発明しました。

インクジェットで選択的にバインダーを堆積する代わりに、3DEOのマシンは独自スプレーシステムでバインダーを層全面に均一塗布。硬化した薄い金属粉末層をマイクロエンドミルで切削し、各層の部品形状を切り出します。

この「Intelligent Layering」技術は、バインダージェッティングとCNC切削を融合した初のハイブリッドシステム。焼結後99.5%以上の高密度で極めて精密な小型金属部品を実現します。

3DEOの技術は自社生産サービス経由でのみ提供。自社サービスに限定することで高品質を確保しつつプラットフォームの柔軟性を維持。現在、金属3Dプリンティング業界最大級の受注を手掛け、最近28,000個の発注を獲得。マシン販売は計画していませんが、増大する生産実績が、バインダージェッティングの従来製造品並みの量産部品供給能力を裏付けています。

Desktop Metal：驚異的速度で金属部品を造形

ボストン発スタートアップ、Desktop Metalは2015年設立。「大規模生産への3Dプリンティングの約束を果たす」を掲げ、極めて高速なProduction Systemを開発。

コア技術はSingle Pass Jetting（SPJ）、従来バインダージェッティングの高速版。全幅プリントヘッド2基、先進パウダースプレッダー、対弾システムを備え、粉末供給と造形を単一パスで双方向実行。

造形体積750×330×250 mmで、高解像度造形を最大12,000 cm³/hr、つまり毎時60 kg超の金属部品を製造可能。他の金属3Dプリンターより桁違いに高速で、複雑金属部品の大量生産に最適です。

さらに、Production Systemは初のバインダージェットシステムとして産業用不活性環境（ガスリサイクルと溶媒回収付き）を搭載し、アルミニウム等の反応性金属の安全造形を実現。材料選択肢が広がります。

Desktop MetalはSPJでバインダージェッティングのメリットを最大化し、大幅な速度向上を付加しました。Production Systemは最近購入可能になったばかりで、速度クレームの実証には時間を要しますが、実証されれば市場最速のバインダージェッティング3Dプリンターとなるでしょう。

将来展望

メタルバインダージェッティングは、生産適合性を持つ主要金属3Dプリンティング技術の一つになりつつあります。高速造形と高精度部品製造という独自能力が、これを可能にしています。

もう一つの鍵は、すでに広く知られ比較的安価なMIM粉末との互換性です。

複数企業がこのブレークスルー潜在力を認識し、機会獲得に邁進中。今後、これら企業がメタルバインダージェッティングをさらに進化させ、最終的には総製造市場における価値あるシェアを切り拓くでしょう。

>> 詳細な金属3Dプリンティング情報は「決定版メタル3Dプリンティングガイド」を参照。