金属3Dプリンティング技術の成熟度評価：TRLフレームワークによる分析

[画像提供: CCDC Army Research Laboratory]

金属3Dプリンティングは、それぞれ異なる利点、用途、成熟度を持つ多様なプロセスを網羅しています。生産技術を選択する際、その現在の能力と限界を理解することは不可欠です。しかし、事実と誇大広告を区別するのは容易ではありません。

技術成熟度レベル（TRL）とは？

TRLフレームワークは、1970年代初頭にNASAが作成したもので、技術をレベル1（概念検証）からレベル9（完全運用展開）まで評価します。以来、多くの業界で新興技術の評価に用いられる標準ツールとなっています。

TRLを用いた金属3Dプリンティングの評価

各金属3DプリンティングプロセスにTRLモデルを適用し、進化、業界採用、現在のユースケース、将来トレンドを分析しました。用途によってTRLが異なる場合もあります。例えば、指向性エネルギー堆積（DED）は生産でTRL 8、修理でTRL 9です。

調査によると、ほとんどの金属3Dプリンティング手法がTRL 7を超え、運用テストと機能プロトタイピングを実証しています。いくつかはTRL 8に達し、完全統合（TRL 9）に向かっています。

レーザー粉末床溶融（LPBF）

技術成熟度レベル：8

レーザー粉末床溶融（PBF）は、主要な金属積層技術です。精密なレーザーで金属粉末層を選択的に溶融し、層ごとに部品を造形します。

Fraunhofer研究所が1995年にレーザー金属溶融を特許取得以来、EOS、Concept Laser（現GE）、SLM Solutionsなどのキープレイヤーが技術を前進させてきました。過去10年間で、メーカーはモジュラーで高度に自動化されたシステムに注力し、手作業を減らし、スループットを向上させてきました。

EOSは最近、ステンレス鋼CX、アルミニウムAlF357、チタンTi64グレード5、チタンTi64グレード23の4つの新金属粉末をポートフォリオに追加し、航空宇宙、自動車、医療分野の材料選択肢を拡大しました。

航空宇宙は、複雑な形状を最小限の廃棄物で製造できる能力が重要なエンジン部品などでPBFを採用しています。PBFは一貫して機能部品を提供しますが、全面的な生産にはまだ微調整とテストが必要で、現在のTRL 8が正当化されます。

今後の利益はソフトウェア統合と合理化されたワークフローからもたらされます。例えば、VELO3DのIntelligent Fusionシステムは、サポート削減、表面仕上げ改善、成功率向上を実現し、信頼性を高め後処理を削減します。

レーザーPBFは、金属積層システムの中で最大の設置ベースとシェアを持つ、業界の主力であり続けています。

電子ビーム溶融（EBM）

技術成熟度レベル：8

電子ビーム溶融（EBM）は、PBFと同じ粉末床溶融の原理を共有しますが、レーザーの代わりに高出力電子ビームで金属層を溶融します。

スウェーデンのArcamが2000年にEBMをパイオニアし、2016年にGEが買収。2018年発表のSpectra Hは、チタンアルミニド（TiAl）などの熱感受性合金を最大1,000°Cで処理可能です。

主なアップグレードには、予熱・後熱工程を50%削減する6kW高電圧電源ユニット、積層プロセスの改良によりビルドあたり最大5時間短縮、速度50%向上があります。

GE AviationのAvio Aeroは35台のArcamマシンを運用し、GE 9Xエンジン用TiAlタービンブレードを生産。医療分野でも2007年からインプラントにEBMを採用しています。

航空宇宙と医療での堅実な生産実績により、EBMはTRL 8に達しています。

指向性エネルギー堆積（DED）

技術成熟度レベル：8

溶接に起源を持つ指向性エネルギー堆積（DED）は、レーザーまたは電子ビームで金属を溶融しながら、ノズルから材料を供給します。

DEDは市販のワイヤーや粉末を使用し、幅広い材料パレット、高品質、低コストを提供します。

修理がDEDの旗艦用途です。摩耗したタービンブレードや金型インサートへの肉盛りにより、ダウンタイム削減と部品寿命延長を実現。修理用途ではTRL 9です。

Sciakyなどのメーカーは、リアルタイム画像処理とマシンビジョンを組み合わせた閉ループ制御を導入し、ビーム出力、供給速度、動作を調整して再現性を向上させています。

DEDは航空宇宙（衛星用チタン燃料タンク、ボーイング787構造部品）、防衛に応用されています。ニアネットシェイプ生産にはまだ機械加工が必要で、解像度向上が二次加工時間を削減します。

金属バインダージェッティング（MBJ）

技術成熟度レベル：市場プレーヤーにより異なる

金属バインダージェッティング（MBJ）は急速に進化していますが、市場プレーヤーによって成熟度が異なります。1993年にMITで最初に導入され、MBJは薄い粉末層を広げ、バインダー液滴を堆積させ、粉末の約95%をリサイクルします。

1996年からMITの技術をライセンスしているExOneが、初期の生産レベルMBJを独占し、プロトタイピングと工具に注力。近年、Digital Metal、HP、Desktop Metalが新規参入し、分野を拡大しています。

2017年発売のDigital Metal DM P2500は、航空宇宙、歯科、産業市場向けに30万個以上の部品を生産。HPのMetal JetとDesktop MetalのProduction Systemは、複数ノズルと先進バインダーを備え、大量生産を目指しています。

実績ある古いシステムはTRL 7〜8の間、新しい技術は数年以内にTRL 8を超えると予想されます。

MBJは大量生産の自動車と産業生産への浸透が見込まれ、大きな成長が期待されます。

バウンドメタル堆積（BMD）

技術成熟度レベル：7

バウンドメタル堆積（BMD）は最近の参入者で、金属充填フィラメントを使用する点を除き、Fused Filament Fabricationに類似しています。MarkforgedのMetal XとDesktop MetalのStudio Systemが2017年にデビューしました。

BMDはラピッドでコスト効率の良いプロトタイピングと工具に優れています。例えば、Dixon Valve & Coupling CompanyはMetal Xでグリッパージョーをプリントし、コストを355ドルから7ドルに、リードタイムを14日から1.25日に削減しました。

BMDのコンパクトなフォームファクタは大規模生産を制限しますが、リモートや特殊用途ではスケーラビリティが成長する可能性があります。

イノベーションの道筋

ほとんどの金属3Dプリンティング技術が高いTRLスコアを達成し、生産への適合性を確認しています。それでも、経済性と速度は課題であり、粉末床、DED、MBJプロセスは依然として従来法よりコストがかかります。

低コストのBMDシステムは中小企業へのアクセスを開くかもしれません。しかし、ブレークスルーイノベーションを達成するには、統合ソフトウェア、自動後処理、合理化されたワークフローという成熟したエコシステムが必要です。これらが金属積層造形の完全な可能性を解き放つ鍵となります。