金属 3D プリンティングは急速に進化—新技術を安全に活用する方法

金属 3D プリントとは何ですか?

まず基本事項です。金属積層造形法には、より普及している DMLS (直接金属レーザー焼結) や、最近普及した金属バインダー ジェッティング法など、複数の方法があります。 DMLSでは、金属粉末をレーザーで層ごとに直接溶解（または焼結）して部品を作成します。しかし、金属バインダージェッティングは、金属粉末のトレイ内で接着剤を層状に形成するため、完成時に支持構造を取り外すことなく、印刷されたピースを原材料からふるい分けることができます。ここから部品を焼き、焼結したり、金属 (ブロンズなど) を注入したりして、最終的な形状に到達します。これにより、最初の設計の最適化が完了すると、金属部品のより大量生産が可能になります。

金属積層造形はどのように進化しているか

過去数年間のサプライチェーンの混乱により、特に医療および航空宇宙企業において、すでに急速に成長している分野の人気が大幅に高まっています。 Deloitte と PwC による 2018 年と 2019 年の予測では、金属やその他の非プラスチック材料が 3D プリンティングで使用できるようになったこともあり、3D プリンティングの人気は今後も拡大すると予測されています。 PwC は、プリンターとソフトウェアを自社で製造する企業、印刷材料サプライヤー、サービス会社を含む金属積層造形サプライ チェーン全体の成長を具体的に予測しました。 3D 金属プリンティングを補完するテクノロジーがさらに提供されるようになるにつれて、これはニッチ市場で実を結び、この分野が成熟していることを示しています。

金属 3D プリンティングは当初、大規模な産業用 DMLS プリンターに限定されていましたが、より広範囲の生産を可能にする、より複雑で小型の機械に進化しました。金属バインダー噴射モデルを含む、より多くの小型金属 3D プリンターが市場に登場しています。これらは工場の現場で占めるスペースが少なく、コストもはるかに低いため、金属積層造形を始めたい企業の参入障壁を打ち破ります。同時に、より大型の産業用プリンターのメーカーは、1 回のプリントでより多くの部品を作成できるようにするため、より大型のプリント ベッドを作成しています。また、大型 DMLS プリンタに継続的にレーザーを追加しており、これにより印刷の速度と一貫性が向上し、予測が容易になります。

金属積層造形の結果を予測することも容易になってきています。当初、ユーザーは部品を印刷することでその部品がどうなるかを確認することしかできませんでしたが、新しいプリンタには設計の結果を予測する優れたソフトウェアが搭載されています。 3D プリント部品がどのように出力されるかをプリント開始前にシミュレーションするデジタル ツインのようなコンセプトも、進歩を続けるにつれて忍び寄るエラーを防ぐのに役立ちます。いつか、部品が多数の製造プロセスを経るにつれて、これらの双子も複数のプログラムやマシンにわたって動作できるようになるでしょう。

金属材料自体が積層造形に利用可能になりつつあります。金属フィラメントと粉末のコストは下がると予測されています。さらに、従来の 3D プリント用金属よりも安価な、ポリマーでカプセル化された金属射出成形材料を使用するプリンターも市場に登場しています。同時に、企業はすでにタングステンなどの高融点金属などの高性能金属への関心を高めています。将来的には、高エントロピー合金など、より多くの高性能金属が産業用途に利用可能になるでしょう。ただし、積層造形プラスチックは進化し続けており、最終的には、高価で希少な合金の安価な代替品として、一部の特性において金属に取って代わられる可能性があります。

金属 3D プリントの利点

なぜ金属積層造形がこれほど普及しているのでしょうか?次のセクションで説明するように、業界ごとに、その価値が異なる側面が見出されます。ただし、一般に、この新しい生産方法では次のことが可能になります。

• エネルギーと材料の効率的な使用
• 使用時にパーツをオンデマンドで作成
• サプライチェーンの短縮
• デザインの自由度が向上
• 他のタイプの製造に比べてセットアップが少なくなります（これには、複数のツールセットよりも柔軟性が向上し、費用が安くなることが含まれます）

金属積層造形アプリケーション

金属 3D プリンティングは、短い納期が重要な市場や、小型部品の製造に高価な金属が大量に使用されている市場で最も人気があります。航空宇宙および防衛企業は 3D 金属印刷を最初に採用した企業の一部であり、医療および歯科産業がそれに続きました。これらの業界が最初に金属 3D プリントを採用したのは、これらの業界の標準部品のコストが他の業界よりも高くなる要因に対処するためでした。

航空宇宙部品は、使用される希少な材料、短いリードタイムの必要性、仕様どおりに動作するために必要な特別な精度など、いくつかの理由により歴史的に高価です。また、できるだけ軽量である必要があります。金属積層造形は、従来の製造プロセスよりも安価な方法でこれらすべての要因に対処します。 3D プリントされた金属部品は、他の方法で製造された同一の部品よりも重量を 70% も軽量化できます。プリンターは必要な材料のみを使用するため、サブトラクティブ製造プロセスと比較して、チタンやニッケル合金などの高価な材料の無駄が最小限に抑えられます。同時に、ジェット エンジン タービンなどの製品のすでに厳しいリードタイムが短縮され、より少ない労力 (したがってコスト) でさらなる精度が可能になります。さらに、印刷により必要なコンポーネントの数が減り、複雑なプロトタイプ システムの作成時間を短縮できるため、航空宇宙における複雑なシステムの再設計、簡素化、テストが 3D 印刷により容易になります。

医療および歯科メーカーも、短いリードタイムで正確で軽量な部品を作成できる 3D プリンティングを使用しています。ただし、これらの分野では、人工股関節や歯科インプラントなどの製品に必要な、低コストで高度なカスタマイズを実現する必要もあります。

さらに、自動車会社は、限られた範囲でハイエンド部品に金属積層造形を使用しています。航空宇宙や防衛と同様に、金属への印刷により、自動車企業はパフォーマンスを向上させるためのシステムの再設計が容易になります。また、金属部品の軽量化による燃料効率の向上や、専用のアフターマーケット部品の作成も可能になります。ただし、ほとんどの自動車部品は航空宇宙部品や医療部品よりも安価であり、積層造形は他のプロセスの速度にまだ追いついていないため、3D プリントはこれらのメーカーの特定の状況にのみ適合します。

将来的には、鉱業や石油・ガスなどの業界でも金属 3D プリンティングが採用される可能性があります。このプロセスは、これらの分野にとって不可欠な要素である納期の短縮に役立つからです。あるレポートによると、石油・ガス会社の 83% が、スペアパーツに 3D プリンティングまたはオンデマンド製造の採用を検討しているとのことです。

金属積層造形の例

これは具体的にはどのようなものでしょうか？航空宇宙分野では、NASA と SpaceX が金属積層造形を使用して宇宙船の部品を製造しています。 NASA はこの技術を使用して、部品数を 45% 削減したロケット エンジンのターボポンプを作成しました。 SpaceX の場合、3D プリントされた部品が SuperDraco 船のエンジン燃焼室に組み込まれました。

医療分野における金属積層造形の例もあります。 2016 年までに FDA は医療処置用の金属 3D プリント インプラントを承認し、それ以来股関節インプラントだけでなく、カスタム人工胸郭や頭蓋骨インプラントにも使用されています。 Xometry は、3D プリントやその他の製造サービスを通じて新しい手術ロボットのプロトタイプの構築を支援し、医学的に検証された部品を作成してきました。

他の企業がこのテクノロジーを採用している注目すべき例がいくつかあります。フォードは最近、印刷生産を拡大できるよう、最終用途部品を作成するプリンターを制御する自律型ロボットを導入しました。一方、フォルクスワーゲンは、ドイツの本社工場でバインダージェット印刷を導入しました。 PGV を含む複数の石油およびガスのサプライヤーも金属 3D プリンティングを実験または導入しており、ツール スリップやピストンなどの部品をオンデマンドで印刷することで、リード タイムを 50 ～ 80% 削減し、実地在庫を 50% 削減することができます。

金属積層造形の欠点

金属 3D プリンティングがより多くの業界で普及するには、まだいくつかのハードルを克服する必要があります。どちらのタイプの印刷でも、同時に印刷できるパーツの量はビルド プレートのサイズによって制限されます。 DMLS の場合、サポート構造を除去するために必要な後処理には時間がかかり、コストがかかります。バインダージェッティングにはサポート構造がないため、より大きなバッチでのより迅速な生産が可能になります。ただし、どちらの方法も、スタンピングや鍛造などのより伝統的な製造プロセスの速度と生産量にはまだ達していません。このため、確実に経済的利益をもたらすには、この方法を使用してどの部品を製造するかを慎重に選択することが重要です。

金属 3D プリントにはさまざまな利点がありますが、実装するのは特定の状況でのみ意味があります。この製造プロセスを使用することで会社にメリットがあるかどうかを調査することが重要です。次に、プロセスをアウトソーシングするか社内に導入するかどうかを検討することが重要です。

どの企業でも 3D プリント部品の使用を開始できますが、設備やサポート プロセスに先行投資できない企業は、多くの場合、サードパーティの添加剤メーカーを利用して部品を製造してもらうことになります。社内に積層造形施設を構築したい企業は、DMLS プリンター (サポート構造の取り外しや DMLA の安全手順など) およびバインダー ジェット プリンター (印刷された部品の焼結や焼結、注入など) のための追加の設備とトレーニングを考慮する必要があります。

3D プリントに価値があるかどうかを判断するには、次のように自問してください。

• 現在製造している部品のうち、3D プリントの恩恵を受けるのはどれですか?
• コスト面でのメリットは何ですか?
• 3D プリントはビジネス戦略にどのような影響を与えますか?
• このプロセスはサプライ チェーンにどのような影響を及ぼしますか?
• どのような規制上の考慮事項を考慮する必要がありますか?

アディティブ マニュファクチャリングの利用を開始したい企業は、まずチームを立ち上げてさまざまな部門の人々と話し合い、利害関係者が誰なのか、どの部品を最初に 3D プリントする必要があるのかを把握する必要があります。あなたの会社が 3D プリントの導入を進めることができると判断した場合は、3D プリント メーカーを使用するか、このプロセスを自社でセットアップするかについてさらに決定を下す必要があります。

3D プリントの初期費用に投資する企業は、長期的にはコストを節約でき、プロセスをより細かく制御できるようになります。優れた添加剤メーカーは知的財産保護とサイバーセキュリティを提供しますが、この追加の管理は情報の共有を避けたい企業にとって魅力的かもしれません。社内での製造を希望する企業は、生産を 1 か所に集中させるか、複数の場所に分散させるかを検討する必要があります。 3D プリンティングを社内で導入することを決めた多くの企業は、自社のプリンターをセットアップする前に、サードパーティの添加剤メーカーから何が可能かについてアドバイスを得て、自社の従業員に知識を伝達することから始めます。 

恒久的なアウトソーシングからより多くの利益を得る可能性のある企業には、必要なすべての機器やトレーニングの購入とセットアップにかかる初期費用の予算がない企業も含まれます。さらに、少量生産を希望する企業や、単に短期間の製品を試してみたい企業にもメリットがあります。最後に、部品をテストまたは分析する必要がある場合は、それを行うことができる添加剤メーカーと協力する方が簡単な場合があります。 3D プリントをアウトソーシングしたい企業は、3D プリント部品が OEM、Tier 1 サプライヤー、またはその他から供給されるかを決定する必要があります。

金属の 3D プリント用にデザインする方法

3D プリントする新しい部品を設計する場合でも、製造プロセスで既に製造した部品を作成する場合でも、他のプロセスの設計を移植するのではなく、プリント プロセス専用に部品を設計することが重要です。そうしないと、印刷されたパーツのコストが高くなってしまい、最悪の場合、他のプロセスで作成された同じパーツほどの性能が得られなくなります。

3D プリンティングの設計の詳細については、メタル バインダーのジェッティング設計、DMLS 設計、および一般的な 3D プリンティング設計に関する詳細ガイドで説明しています。ただし、簡単に言うと、覚えておくべき重要な点がいくつかあります。

• 壁の厚さは、自立型フィーチャでは少なくとも 0.7 mm (0.024 インチ)、サポートされていないフィーチャまたは耐荷重フィーチャでは少なくとも 1.2 mm (0.048 インチ) である必要があります。壁の厚さも均一に保つ必要があります。
• パーツのフィーチャー間に少なくとも 0.5 mm (0.020 インチ) の隙間を確保します。
• パーツ設計で閉じ込められた空洞を取り除きます。これは、閉じ込められた材料やサポート構造が残り、後処理中に残す必要がある材料をブロックする可能性があるためです。
• 角を丸くすることで応力点を減らし、寿命にわたるパーツのパフォーマンスを向上させます。
• カンチレバーは 3D プリントされたパーツ、特に大きくて重いパーツではデリケートなので注意してください。

Xometry の金属 3D プリント サービス

新しいプリンターから材料、ソフトウェアに至るまで金属印刷の発展により、この分野は企業の規模に関係なく、生産とサプライチェーンに刺激的な機会をもたらします。ただし、他の製造方法では対処できない問題点にこのプロセスを確実に適用することが重要です。貴社のソリューションとして金属積層造形をお考えの場合は、私たちがお手伝いいたします。金属 3D プリンティングに関する当社の機能ページをチェックして、当社がどのようにお手伝いできるかを確認するか、即時見積りページに直接スキップして、製品を作成する最適な方法について AI を活用した提案を入手してください。ファイルと要件を送信すると、1 分以内に見積もりとリードタイムが表示されます。 

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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