金属3Dプリンティングハードウェアを変革する10の先駆的イノベーター

金属3Dプリンティングは、その歴史の中でユニークな時期を迎えています。ハードウェア、ソフトウェア、材料の進展が、新たなアプリケーションの開拓と高信頼性製品の創出に向け、成熟を継続させています。

本日、金属積層造形（AM）を牽引する革新的企業を探る連載記事を開始します。第1回はハードウェア編です。

金属3Dプリンティングが進化する中、既存課題に新プロセスや既存技術への創造的アプローチで挑む新規ハードウェアメーカーが市場に参入しています。

最近、有望な金属AM技術を商用化した、または間もなく商用化を予定している企業をリストアップしました。既存の大手プレイヤーとともに、金属3Dプリンティングの未来を形作るのは誰か、ご覧ください。

レーザー粉末床溶融結合（PBF）

レーザー粉末床溶融結合（PBF）技術は、最も人気で先進的な金属AMプロセスの一つです。しかし、高いハードウェアコスト、遅いプリント速度、プロプライエタリシステム由来の制約を考えると、改善の余地は大きいです。

PBF市場の複数社が、より高速で、オープンで、柔軟な金属PBFシステムでこれらの問題の一部を解決しつつあります。

1. Aurora Labs

1日1トンの金属造形という展望は夢物語に聞こえますが、オーストラリアの金属3DプリンターメーカーAurora Labsは、まさにそれを実現しようとしています。

2014年以来、Aurora Labsは金属3Dプリンティングを遥かに高速化する新技術を開発してきました。2018年Formnextで初公開されたMultilevel Concurrent Printing（MCP™）は、おなじみの粉末床溶融技術をベースにしつつ、ひと味違います。

従来の粉末床技術が1層ずつプリントするのに対し、MCPは複数層を1パスで同時プリントします。

どう機能するのか？MCP技術には2つの鍵があります：格子状のリコータ機構と複数のレーザービーム。プリント開始時、複数のホッパーを備えたリコータデバイスがプリントベッド上を滑り、各ホッパーが異なる層の粉末を1パスで堆積させます。

1層が堆積すると、リコータの特殊な隙間を通してレーザーで溶融。同じパス中に後続層が連続して堆積・溶融されます。

つまり、複数層を1パスでプリントでき、プロセスを大幅に高速化します。

2020年9月、Aurora LabsはMCP技術搭載のRMP1 3Dプリンターが1日350kgの造形速度を達成したと報告。2018年9月の約15kg/日から大幅な飛躍です。

この改善により、Aurora Labsは従来製造プロセスと時間・コストで競合しうる、最速クラスの金属PBFシステムを市場投入する好位置にいます。

2. Open Additive

多くの既存3Dプリンターメーカーがプロプライエタリシステムを提供する中、オープンシステムアプローチを採用する企業はごくわずかです。

その一社が、Universal Technology Company（UTC）からスピンアウトしたOpen Additiveです。多様な環境とニーズに適合する産業化ソリューション開発を目指します。

そのため、オープンマシンアーキテクチャと材料、オープンパラメータとセンサーテクノロジーを備えた、手頃なレーザーPBFシステム「PANDA 3Dプリンター」を開発しました。

Open Additiveは、オープンシステムの主要メリットの一つとして、新しい先進技術の開発に合わせて機能追加やシステム調整が可能になるため、陳腐化リスクを低減できると考えています。

このオープンハードウェア・材料アプローチは現在のAMでは特に一般的ではありませんが、業界はこうした動きにますます受容的になっています。Open Additiveのような取り組みにより、企業がイノベーションを推進するための選択肢を大幅に増やす、柔軟で構成可能な積層技術のビジョンに近づいています。

3. Sharebot

エントリーレベル金属3Dプリンティングの世界が急速に賑わいを見せており、SharebotのMetalONE 3Dプリンター発売はこのトレンドのさらなる証左です。

主要なプラスチック3Dプリンティングプロセスをポートフォリオに持つSharebotが、金属へ進出するのは時間の問題でした。

MetalONEは、4年前に発売したSharebotのSnowWhite SLSマシン（熱可塑性粉末用）から発展したプロジェクトの成果です。

昨年デビューしたこのマシンは、65×65×100mmという比較的小さなビルドエンベロープを持ちます。しかし小型フットプリントながら、同社にとって大きな前進を意味します。

12万ドル以下の価格設定で、Xact MetalのXM200やOR LaserのORLAS Creatorなど、PBFベースの他エントリーレベル金属3Dプリンターと同価格帯に位置します。

これらのシステムはすべて、大型PBFマシンへのスケールアップ前の材料や部品設計テストに最適ですが、小規模ジュエリー・歯科製作にも適しています。

ベーシックなデスクトップ3Dプリンター開発からスタートしたSharebotが、プロ向けポリマー3Dプリンターへ、そして数年の研究を経て初の金属3Dプリンターへと製品ラインを着実に進化させてきたのは興奮すべき事実です。

すでに確立されたエコシステムを活用し、手頃な金属プロトタイピングと製品開発の新市場を開拓する態勢が整っています。

直接エネルギー堆積（DED）

直接エネルギー堆積（DED）分野の発展は特に著しいです。この技術は、ビルドプラットフォーム上で金属粉末やワイヤーを供給しながら、集束熱源で溶融させます。

DEDハードウェア企業が続々と登場しており、特にワイヤーアーク積層造形（WAAM）は注目の開発領域です。以下、WAAMと粉末ベースDEDプロセスの有望ハードウェアメーカーを紹介します。

4. WAAM3D

2020年時点では、WAAM市場は依然として小さく、この金属3Dプリンティング技術を積極的に開発している企業は一握りです。

WAAM3Dはこの分野では比較的無名ですが、市場投入を決める前に大量の研究を行ってきました。

WAAM3Dは2018年、クランフィールド大学のWAAM分野における知的財産を商用化するために設立されました。

同社によれば、ソフトウェアツール、WAAM専用ハードウェア、原材料、トレーニング、サービスといったサプライチェーンの欠如が、実証済みのビジネスメリットがあるにもかかわらず、WAAMプロセスの正当な産業採用を妨げてきました。

同社はこうしたサプライチェーンを構築し、航空宇宙・防衛、石油・ガス、エネルギー、原子力産業でのWAAM活用を促進することを目指しています。

これまでに複数の成功事例を発表しています。一つはThales Alenia Space向けに製造されたチタン製パーツ、全長1mの圧力容器。WAAMでこのコンポーネントを製造することで、1個あたり200kg以上の材料節約と、容器の2部品を1つに統合することに成功しました。

本年初め、WAAM3Dは初のシリーズA資金調達ラウンドを完了し、WAAM技術の商用化をさらに推進する体制を整えました。

5. AML3D

AML3Dもまた、クランフィールド大学に着想を得て設立された企業です。AML3DのマネージングディレクターAndrew Sales氏がクランフィールドで学び、技術の可能性に魅了され、2014年にオーストラリアでWAAMサービスビューローを設立しました。

2019年、世界的海運業認証機関ロイドレジスターから認証を取得。認証取得後、海洋顧客へ初納品：マルテンサイト系ステンレス鋼製ウェアリングセットを届けました。

本年初め、AML3Dは初のWAAMベース3Dプリンター「Arcemy」を、航空宇宙・防衛大手ST Engineeringへ納入準備中と発表。Arcemyシステムは溶接、CADソフトウェア設計、ロボティクス技術を統合し、産業品質の大型・全密度金属部品を生産します。

AML3Dは、海事セクターなどでリードタイム短縮と造船・修理の促進に貢献すると期待しています。

6. Big Metal Additive

大型フォーマット3Dプリンティングを前進させるアイデアが、Big Metal Additive（BMA）の設立を促しました。このスタートアップは、ワイヤー供給アークベースAM工法を開発し、アルミニウムから大型・複雑な設計構造を創出します。

ビルドボリューム15立方フィート超、堆積率最大5ポンド（約2.27kg）/時間で、トラス、自動車シャーシ、筐体、工治具、ビーム、建築要素の製造に最適化されています。

BMAシステムのもう一つの差別化要因は材料です。ほとんどの金属3Dプリンターは溶融・凝集しやすい特殊合金のみ対応ですが、Big Metalは市販のアルミニウムアーク溶接ワイヤー8種類を使用し、大幅に低コストです。今後ステンレス、工具鋼、超合金、チタンへの対応も予定しています。

「我々が設計したプロセスを普及させたい。ホットロッドショップからメンテナンス、プロトタイプ設計ショップまで、あらゆる場所で」と、創業者兼社長Slade Gardner氏はASMEのインタビューで語っています。

同社の計画は実に野心的ですが、大型製造の領域へ金属AMを推進しようとする企業として、極めて自然なものです。

7. CHIRON Group

数ヶ月前、CNC工作機械のグローバルメーカーCHIRON GROUPが、初のDED 3Dプリンター「AM Cube」を開発し、AMの世界に参入しました。

なぜこの大手が3Dプリンティング分野へ大きく踏み出したのか？

AM技術を製品ポートフォリオに加えることで、CHIRONは製造ソリューションの完全なパッケージを提供することを目指します。大型・複雑コンポーネント向けに、AM Cubeは同社の既存コアコンピタンスである金属切削と自動化を拡張します。

航空宇宙、エネルギー、工具製造などをターゲットに、ニアネットシェイプ部品の3Dプリントが可能で、コーティングと修復にも対応します。

AM Cubeの注目機能の一つはモジュラリティです。最大3つのプリントヘッドを、アクティブなプリントまたはコーティングプロセス中に交換可能です。

また、ワイヤーと粉末の両方に対応できるよう設計されています。粉末コーティングは多くの産業現場で一般的なプロセスですが、ワイヤーベースDEDはより優れた安全性と廃棄物削減を実現します。

現在CHIRONは、長い調達リードタイムと高い材料価格を伴う大型コンポーネントを、新しい3Dプリンターで生産する施設を建設中です。

8. Formalloy

Formalloyは2016年初頭から活動していますが、この4年間でDED金属3Dプリンティング企業としてかなりの名を馳せてきました。

Formalloyの受賞技術は、市場で最も包括的な金属合金リストでのプリントが可能と言われています。さらに、青色レーザー技術を搭載したDEDシステムで、直径1mm〜1mのニアネットシェイプパーツを、最大堆積率15ポンド/時間で造形します。

最新のXシリーズシステムにはFormfeed粉末フィーダーが搭載され、勾配・バイメタリック構造の3Dプリントが可能になりました。

インプロセスモニタリングのトレンド拡大に対応し、FormalloyはXシリーズにクローズドループ制御技術を実装。ビルド品質と精度をリアルタイムで監視できます。

大型コンポーネント製造と部品修復能力により、Formalloyの3DプリンターはNASAの一連のR&Dプロジェクトで採用され、大型フォーマットAMの拡張性を調査しています。

コスト削減と材料柔軟性を志向したソリューション開発により、Formalloyは今まさにより混雑しつつあるDED市場の一角を切り取ろうとしています。

金属光重合

9. Incus

オーストリアのセラミック3DプリンターベンダーLithozのスピンオフであるIncus GmbHは、2019年Formnextで新しい金属光重合3Dプリンティングプロセスを発表しました。

新しい3Dプリンターの技術は、SLAやDLPのようなバット重合技術に基づいています。これらは液体レジン材料を使用します。一方、Incusは強力な光プロジェクターを使用し、光反応性の金属充填材料を硬化させるプロセスを開発しました。この技術で3Dプリントされた部品は、最終特性を得るために脱脂と焼結を経る必要があります。

他の金属AM技術に対する潜在的優位性には、「非溶接性」金属への対応、空気中粉末を回避することによる安全性向上、精度向上、光ベースゆえの高速ビルド速度などが含まれます。

この技術は2019年末にHammerシリーズ3Dプリンターとして市場投入され、現在複数のベータ顧客で稼働中です。Incusは技術の微調整を継続し、医療、自動車、航空宇宙、ジュエリー分野での更なるアプリケーション開拓を目指しています。

マテリアルジェッティング

10. Tritone

ほぼすべての3Dプリンティングプロセスは目的のオブジェクトを直接プリントしますが、鋳造用金型の3Dプリントという例外があります。

イスラエルのスタートアップTritoneは、通常の3Dプリンティングプロセスの発想をひねった独自のMoldJet技術を開発しました。目的のオブジェクトを3Dプリントする代わりに、Tritoneの3Dプリンターはまず金型を作り、次に金属またはセラミックペーストを充填し、精密ブレードで余剰材料を除去して平滑な層を残します。

材料は熱処理ステップで硬化し、層品質を検査。完了後、パーツをトレイから取り出し、超音波洗浄で金型材料を溶解させ、最終焼結ステップに備えた頑強なグリーンパーツを得ます。

MoldJetを他の3Dプリンティングプロセスより使用する主な利点の一つは、標準的な金属粉末射出成形（MIM）パウダーが使用できる点です。MIM材料は汎用性が高く、あらゆる場所でコモディティ価格で入手可能です。

さらにTritoneによれば、パーツは最大99%の密度を達成でき、MIMパーツと同等の品質を提供します。

現在Tritoneは、MoldJet技術搭載マシンの更なる開発とテストに注力しています。年内末の商用化予定で、市場がこの新技術をどう受け入れるか楽しみです。

金属3Dプリンティングハードウェアの前進

金属3Dプリンティングは現在最も急成長している技術の一つであり、その成長理由の一つは継続的な進化です。

AM業界に参入する新規ハードウェアメーカーは、既存マシンの課題を克服するプロセス開発を目指す原動力の一つです。

金属3Dプリンティング市場の競争激化がイノベーションを燃やしています。しかし、革新的な金属AMハードウェアを最大限活用するには、材料とソフトウェア開発など他分野の進歩も支えなければなりません。

金属3Dプリンティングの信頼性と再現性を支えるエコシステムを構築することでのみ、スタートアップも既存大手も、金属AMを価値ある製造ソリューションにできるのです。

次回記事では、金属3Dプリンティング材料のライジングスターを紹介します。お楽しみに。