粉末床溶融結合（PBF）3Dプリンター：種類、メリット、限界、仕組み

メーカーが複雑な形状の3Dプリントパーツを作りたいとき、しばしば粉末床溶融結合（PBF）マシンに頼ります。これらのパーツは従来の製造方法では非常に難しく（時には不可能）、PBFが選ばれます。詳しく見ていきましょう。

粉末床溶融結合（PBF）マシンとは

PBFマシンは、多くの異なる業界における様々な用途向けに高品質で複雑かつ精巧なパーツを作成できる3Dプリンターです。レーザーまたは電子ビームを使用して金属またはプラスチック粉末の層を溶融・融着させ、粉末ベッドから層ごとにパーツを構築します。顧客の特定ニーズを満たす強度や耐熱性などの特定特性を持つカスタマイズパーツを作成できます。以下の画像でこれらのマシンの外観をご覧いただけます。

PBFの素晴らしい点は、一般的に廃棄物を最小限に抑えられることです。パーツ完成後、余剰粉末が回収・リサイクルされます。また、設計の迅速な反復が可能で、エンジニアはCAD設計を更新し、欠陥パーツを再プリントできます。複雑な内部形状を持つ複雑なパーツに関しては、PBFが好まれる3Dプリンティング方法です。金属鋳造やMIMのような他の方法よりも、完全なパーツを設計・製造・テスト・再設計・再プリントするサイクルがはるかに高速です。PBFマシンは複数のパーツを同時に生産できるため、生産性が向上し、パーツ製造に必要な時間が短縮されます。

PBFは幅広いプラスチックと金属に対応でき、造形中のパーツは最小限のサポート構造で済みます。未使用粉末がサポートとして機能するためです。例えば、タービンブレード内部の冷却チャネルを作る場合、余剰粉末を単に注ぎ出せばよいです。ただし、PBFは粉末の予熱、真空生成、冷却期間の必要性から、比較的遅いプロセスで造形時間が長くなります。また、層ごとに作られるため、PBFパーツの構造的特性は通常、他のプロセスで作られるものほど強くありません。表面品質も粉末の粒子サイズに依存し、砂型鋳造やダイカストのような製造プロセスに似たものになることがあります。

熱歪みにも注意が必要で、特にポリマー製の場合、造形パーツの収縮と歪みを引き起こす可能性があります。一部の人にとってのもう一つの欠点は高コストで、装置と材料の両方が高価です。エンドツーエンドシステムで10万ドル以下のものも見つかりますが、価格は通常15万〜20万ドルから始まり、ハイエンドモデルでは100万ドルを超えることもあります。また、エネルギーを大量に消費するプロセスでもあります。 印刷後に除去される未使用粉末は効率的にリサイクルすべきですが、予熱により一部の未使用材料に影響が残ることがあります。

粉末床溶融結合（PBF）マシンの仕組み

PBF 3Dプリンティングプロセスのステップは以下の通りです：

1. CADモデルを作成し、層にスライスする必要があります。3Dプリンターは造形開始前にビルドシーケンスでプログラムされます。
2. 薄く均一な粉末層（通常0.1mm）がビルドプラットフォーム全体に広げられます。
3. 粉末ベッドが材料の融点わずか下の温度まで加熱され、熱応力を軽減します。
4. 高出力レーザーまたは電子ビームが、デジタルモデルに基づいて粉末層を選択的に溶融させます。材料は冷却時に固化します。
5. ビルドプラットフォームが1層分降下し、パーツが完全に形成されるまでプロセスを繰り返します。
6. 印刷完了後、パーツを粉末ベッドから取り出し、後処理ステップを開始できます。

粉末床溶融結合（PBF）マシンの種類

パーツをプリントするために使用できるPBFマシンには様々なタイプがあります。粉末床溶融結合（PBF）積層造形技術には2つの主要タイプがあります：レーザービーム（PBF-LB）と電子ビーム（PBF-EB）。これら各タイプには関連する商標技術があります。これらは直接金属レーザー焼結（DMLS）、選択的レーザー焼結（SLS）、選択的レーザー溶解（SLM）、電子ビーム溶解（EBM）です。プロセスは使用される3Dプリンティング材料と粉末を融着させる熱源によって区別されます。PBF方法はレーザーまたは電子ビームのいずれかを使用して粉末粒子を融着させます。各方法については以下のセクションで個別に説明します：

1. 直接金属レーザー焼結（DMLS）

DMLSは高出力レーザーを使用して金属粉末を選択的に融着させるPBF積層造形技術です。プロセスはSLSと似ていますが、プラスチックの代わりに金属粉末を使用します。レーザービームが金属粒子を溶融・融着させ、層ごとに固体パーツを形成します。DMLSは高精度と望ましい機械的特性を持つ複雑な金属パーツの製造に、航空宇宙と医療業界で一般的に使用されます。

2. 選択的レーザー焼結（SLS）

SLSは高出力レーザーを使用して粉末ポリマー材料（通常プラスチックやナイロン）を選択的に融着させ、固体オブジェクトを作る3Dプリンティング技術です。各層がレーザーで融着されながら層ごとにパーツを構築します。未融着粉末材料がビルドプロセス中にパーツをサポートし、サポート構造の必要性を排除します。SLSは試作、製品設計、少量生産で広く使用されています。

3. 選択的レーザー溶解（SLM）

SLMとSLSは、両プロセスとも高出力レーザーで熱を供給し、PBF-LBのカテゴリに属する点で共通しています。しかし、SLMはレーザーが粉末を焼結するだけでなく完全に溶融させる点で異なります。これにより、より高密度で強力な最終パーツが得られます。このプロセスはチタンとその合金、アルミニウム合金、ステンレス鋼などの金属粉末で一般的に使用されます。タングステンのような珍しい金属も処理可能ですが、用途はより専門的になります。ビルドチャンバーでは通常アルゴンなどの不活性雰囲気が採用され、凝固材料の酸化や窒化を防ぎます。SLMは高品質な機械的特性と複雑な形状を持つパーツの製造に、航空宇宙、医療、自動車業界で一般的に使用されます。

4. 電子ビーム溶解（EBM）

EBMは金属パーツ作成に使用されるもう一つの粉末床溶融プロセスです。レーザーの代わりにビームを使用して金属粉末を溶融・融着させます。レーザーベースの技術とは異なり、EBMプリンターは小型粒子加速器のように動作し、真空下で粉末ベッドに電子を照射して金属材料を溶融させます。帯電した電子が粉末粒子を分散させる可能性があるため、3Dプリンティングプロセス開始前に各材料層を通常予備焼結します。さらに、ビルド中はプリントベッド全体が高温に保たれます。3Dプリンティングプロセス中、パーツは半焼結粉末ケーキ内で構築され、これがサポートを提供し、追加サポート構造の必要性をしばしば排除します。パーツをルーズパウダー内で焼結できるEBMのバリエーションも存在します。

EBMは通常、航空宇宙と医療用途向けの大型複雑金属パーツ製造に使用されます。EBMは他のPBF技術より高いビルド速度とパーツの残留応力低減を提供しますが、装置は通常他のマシンより高価です。

粉末床溶融結合（PBF）マシンを3Dプリンティングに使用するメリット

• 柔軟性が高い
• 複雑な設計のパーツ製造時間を改善
• 廃棄物削減、ひいてはコストと環境影響の削減
• 幅広い材料に対応
• 造形中に最小限のサポート構造で済む

粉末床溶融結合（PBF）マシンを3Dプリンティングに使用する限界

• 長い造形時間と遅いプロセス
• 弱い構造的特性
• 表面テクスチャが粉末の粒子サイズに依存
• 高価な機械と粉末
• 熱歪み
• 大量のエネルギーを消費

粉末床溶融結合（PBF）の製造プロセス

PBFの製造プロセスには以下のステップが含まれます：

1. CADファイルを設計し、3Dプリンターにリンクする。設計は数値的に層にスライスされ、実際の印刷開始前に印刷シーケンスが事前に決定される。
2. ビルドプラットフォーム全体に粉末を広げる。薄い粉末層がビルドエリア全体に均等に分布される。
3. ビルドエリア全体を粉末粒子の融点わずか下の温度まで加熱する。
4. 高出力レーザーまたは電子ビームを使用して、事前プログラムされたパターンに従って特定領域の粉末を選択的に溶融させる。溶融粉末は冷却時に固化し、固体層を形成する。
5. ビルドプラットフォームを1層分降下させ、パーツが完成するまでプロセスを繰り返す。
6. 印刷完了後、パーツを粉末ベッドから取り出す。サポート構造除去、熱処理、機械加工、研磨などの様々な後処理ステップを経る。

PBFの製造後プロセス

PBFプリントパーツの後処理は、使用材料とプリントに使用された方法によって異なります。

金属PBFパーツはプロセスによって引き起こされる内部応力のため熱処理を必要とします。熱処理後、サポート構造が除去され、追加の後処理が進行できます。顧客要件に応じて、CNC機械加工や研磨などいくつかの後処理オプションが利用可能です。

金属EBMパーツは基板からフロートフリーで、ビルド中は半焼結粉末によってサポートされます。犠牲サポートは熱制御や後処理のために追加される場合があります。EBMパーツは粉末ケーキから取り出す必要がありますが、プリンター内部の高温により残留応力が最小限に抑えられるため、必ずしも熱処理ステップを必要としません。

一方、プラスチックパーツは未融着粉末のベッドから取り出され、ビードブラストで余分な材料が除去され、一貫した表面仕上げが得られます。SLSパーツはビードブラスト完了後はそのままの状態で問題ありませんが、色が必要な場合は染色の良い候補となります。

PBFマシンが他のタイプの3Dプリンターと異なる点

PBFマシンはいくつかの点で他のタイプの3Dプリンターと異なります。最も重要な違いは、粉末材料を使用して層ごとにパーツを構築する方法です。PBFマシンは高出力レーザーまたは電子ビームを使用して金属またはプラスチック粉末を選択的に融着させますが、他の3Dプリンターは押出や光重合法を使用する場合があります。PBFマシンはまた、高い精度と正確さで非常に複雑で精巧なパーツを生産できます。さらに、PBFマシンは他のどの3Dプリンティング技術よりも優れた機械的特性を持つ機能的プラスチックパーツを生産できます。しかし、所望の表面仕上げを得るために後処理を必要とすることが多く、生産可能なパーツのサイズと形状に制限がある場合があります。さらに、PBFマシンはより高価で、操作により専門的な知識とトレーニングを必要とする傾向があります。

PBFマシンで使用できる材料

PBF 3Dプリンターは幅広い材料をサポートしており、以下にリストします：

プラスチック

• ナイロン（ガラス充填・鉱物充填含む）
• ポリプロピレン
• ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）
• ポリエーテルケトンケトン（PEKK）
• TPU

金属

• アルミニウムと軽合金
• クロムコバルト合金
• 貴金属（金、銀）
• 銅と合金（青銅、黄銅）
• インコネル®
• 鋼（軟鋼、合金鋼、ステンレス鋼316Lと17-4PH）
• チタンと合金
• ニッケルと合金

様々な業界におけるPBFマシンの一般的な用途

• 航空宇宙（タービンブレード、燃料ノズル、ガイドベーン）
• 医療（カスタムメイド整形外科パーツ、チタン合金頭蓋/寛骨臼インプラント、人工股関節）
• 自動車（試作、モータースポーツ用冷却ダクト付きブレーキパッド）
• 軍用航空機コンポーネント

PBFマシンの開発が製造業に与えた影響

粉末床溶融結合（PBF）マシンの開発は、様々な面で製造業に革命をもたらしました。最も重要な影響の一つは、提供される設計自由度の増大です。PBFマシンは、従来の製造方法では困難または不可能な複雑で精巧な形状の創造を可能にします。

PBFマシンのもう一つの重要な影響は、より速い試作であり、新製品開発に必要な時間とコストを大幅に削減しました。ラピッドプロトタイピングにより、メーカーは設計コンセプトを迅速にテストし、生産設計を最終確定する前に改善できます。

PBFマシンは製造における廃棄物削減にも貢献しています。パーツ作成に必要な材料のみを使用することで、PBFマシンは廃棄物を減らし、材料コストを下げます。これは環境にもメーカーの収益にも利益をもたらします。効率性の面では、PBFマシンは複数のパーツを同時に生産できるため、生産性が向上し、パーツ製造に必要な時間が短縮されます。最後に、PBFマシンは強度、耐久性、耐熱性などの特定特性を持つカスタマイズパーツの生産を可能にします。これにより、顧客の特定ニーズを満たすユニークな機能を持つ新製品の開発につながりました。

PBFマシンとDEDのコスト比較

PBFマシンとDED（指向性エネルギー堆積）マシンのコストは、メーカー、モデル、サイズ、機能などいくつかの要因によって変動します。しかし一般的に、PBFマシンはDEDマシンより高価です。PBFマシンはより高度な技術を使用し、より高精度でより良い表面仕上げのパーツを生産できます。

PBFマシン操作時の安全対策

PBFでパーツを作る際の安全確保は、ほとんどの製造プロセスと同様に最優先事項でなければなりません。安全に関連する考慮事項をいくつか挙げます：

1. PBFマシンはヒュームと微細粉塵を放出します。吸入リスクを最小限に抑えるため、適切に換気されたエリアで作業してください。
2. 粉末の取り扱いとマシン操作時には、手袋、安全メガネ、防塵マスクなどのPPEを着用してください。
3. 加熱コンポーネントやプリントパーツに触れるのは冷却まで避け、特に金属プリントでは鋭いエッジに注意してください。
4. 高温と火花は火災の危険をもたらすため、消火器を近くに置き、可燃物をエリアから除去してください。
5. 金属粉末は危険な場合があります。慎重に取り扱い、保護具を使用して吸入や皮膚接触を避けてください。
6. 定期的な点検とメンテナンスで故障を防ぎ、安全な運用を確保します。

PBFの後処理

PBFプリントパーツの後処理方法は、使用材料と製造プロセスによって異なります。DMLSまたはSLMで作られた金属PBFパーツは、通常プリントプロセスで引き起こされる内部応力を緩和するために熱処理を必要とします。熱処理後、サポート構造が除去され、CNC機械加工、研磨、表面処理などの追加後処理が続きます。

EBMで作られた金属パーツは、レーザーベースの金属PBF方法とは異なり、固体基板ではなく半焼結粉末ケーキによってサポートされます。粉末ベッドから取り出す必要がありますが、ビルド温度が高く残留応力が最小限に抑えられるため、一般的に熱処理は必要ありません。犠牲サポートは熱制御や後処理のために追加される場合があります。プラスチックSLSパーツは粉末ベッドから取り出され、余分な材料を除去するためにクリーニングされ、均一な仕上げのためにビードブラストがよく使用されます。これらはそのままの状態で問題ありませんが、色カスタマイズのために染色する良い候補です。

PBFが積層造形にどう貢献するか

PBFはいくつかの面で積層造形に貢献します。第一に、従来の製造方法では困難または不可能な複雑な形状の生産を可能にします。第二に、強度や耐熱性などの特定特性を持つカスタマイズパーツの創造を可能にします。第三に、従来の製造方法より速く、より少ない廃棄物でパーツを生産できます。最後に、特に少量・高付加価値製品において製造コスト削減の可能性があります。

PBFマシンは高価ですか？

はい、PBFマシンはかなり高価です。エンドツーエンドシステムで10万ドル以下のものも見つかりますが、価格は通常15万〜20万ドルから始まります。ハイエンドPBFマシンは100万ドルを超えることもあります。これらのシステムのコストはマシンのサイズ、能力、機能に依存します。しかし、PBFマシンのコストは技術がより普及し新しいメーカーが市場に参入するにつれて時間とともに減少します。また、特定用途でPBFマシンを使用することで得られる潜在的なコスト削減と効率化が、一部のビジネスにとって投資を正当化する可能性があります。

PBFマシンはDED（指向性エネルギー堆積）マシンより高品質なソリューションを生産しますか？

PBFマシンとDED（指向性エネルギー堆積）マシンは異なる強みと弱みを持つため、どちらがより高品質なソリューションを生産するか一概には言えません。PBFマシンは一般的に、微細なディテール、より良い表面仕上げ、優れた機械的特性を持つ高精度パーツの生産に適しています。粉末床溶融プロセスにより精巧な形状と材料分布の精密な制御が可能で、優れた寸法精度と表面仕上げを持つパーツが得られます（ただし後処理が必要な場合もあります）。PBFマシンは金属、セラミック、プラスチックを含む幅広い材料でパーツを生産できます。

一方、DEDマシンは航空宇宙コンポーネントや産業用金型のような、複雑な形状を持つ大型パーツの生産に適しています。DEDマシンは通常PBFマシンより高速で、より大型のパーツサイズを扱えますが、同じレベルの精度や表面仕上げは得られない可能性があります。

粉末床溶融マシンに関するよくある質問

PBFマシンとDEDマシンの違いは？

PBFマシンとDED（指向性エネルギー堆積）マシンは異なる強みと弱みを持つため、どちらがより高品質なソリューションを生産するか一概には言えません。PBFマシンは一般的に、微細なディテール、より良い表面仕上げ、優れた機械的特性を持つ高精度パーツの生産に適しています。粉末床溶融プロセスにより精巧な形状と材料分布の精密な制御が可能で、優れた寸法精度と表面仕上げを持つパーツが得られます（ただし後処理が必要な場合もあります）。PBFマシンは金属、セラミック、プラスチックを含む幅広い材料でパーツを生産できます。

一方、DEDマシンは航空宇宙コンポーネントや産業用金型のような、複雑な形状を持つ大型パーツの生産に適しています。DEDマシンは通常PBFマシンより高速で、より大型のパーツサイズを扱えますが、同じレベルの精度や表面仕上げは得られない可能性があります。PBFとDEDマシンのコストは、メーカー、モデル、サイズ、機能などいくつかの要因によって変動します。しかし一般的に、PBFマシンはDEDマシンより高価です。PBFマシンはより高度な技術を使用し、より高精度でより良い表面仕上げのパーツを生産できます。

PBFマシンが他のタイプの3Dプリンターと異なる点は？

PBFマシンはいくつかの点で他のタイプの3Dプリンターと異なります。主な違いは、フィラメントやレジンではなく粉末材料を使用して層ごとにパーツを構築する方法です。PBFマシンは高出力レーザーまたは電子ビームを使用して材料を選択的に融着させますが、他の3Dプリンターは押出や光重合法を使用する場合があります。PBFマシンはより精密で、他のどの3Dプリンティング技術よりも優れた機械的特性を持つ機能的プラスチックパーツを作れます。しかし、所望の表面仕上げを得るために後処理を必要とすることが多く、サイズと形状の面で制限がある場合があります。PBFマシンはまた、より高価で、操作により専門的な知識とトレーニングを必要とする傾向があります。

PBFマシンに最適な材料は？

これは作りたいものと予算などの他の要因によって異なります。各材料には独自の特性、強み、弱みがあり、印刷プロセスに影響を与えます。金属は材料を溶融・固化させるために高温とエネルギーを必要とし、造形時間とコストを増加させる可能性があります。ポリマーは金属より低温・少エネルギーで済むため、より速い造形時間と低コストを意味するかもしれません。しかし、ポリマーは金属より機械的特性が劣り、歪みと変形により敏感である可能性があることも留意すべきです。再び言いますが、あなたのプロジェクトに最適な材料は、必要な特性と予算に基づいて決まります。

なぜPBFは試作に適しているのか

PBFマシンはより速い試作を可能にし、新製品開発に必要な時間とコストを大幅に削減します。ラピッドプロトタイピングにより、メーカーは設計コンセプトを迅速にテストし、生産設計を最終確定する前に改善できます。

著者：Kat de Naoum

Kat de Naoumは英国出身のライター、著者、編集者、コンテンツスペシャリストで、20年以上の執筆経験を持ちます。製造・技術分野の様々な組織向けに執筆し、エンジニアリングの世界を愛しています。ライターとして活動する傍ら、約10年間パラリーガルとして勤務し、うち7年は船舶金融を担当しました。印刷・オンラインの多くの出版物で執筆実績があります。キングストン大学で英文学・哲学の学士号、クリエイティブライティングの修士号を取得しています。

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