急速に進化する金属 3D プリント：新技術を安全に活用する方法

金属 3D プリントとは

まず基本から：DMLS（直接金属レーザー焼結）のようなより普及した方法と、金属バインダージェッティングのようなより最近人気の方法など、複数の金属積層造形方法があります。DMLS では、金属粉末がレーザーによって層ごとに直接溶融（または焼結）されてパーツが作られます。一方、金属バインダージェッティングでは、金属粉末のトレイに接着剤を層状に塗布し、完成時に原料からプリント済みピースをふるい分けで取り出せるようにし、サポート構造の除去を不要にします。そこからパーツを焼成・焼結したり、青銅などの金属を浸透させたりして最終形態にします。これにより、初期設計最適化が完了すれば、金属パーツのより大量生産が可能になります。

金属積層造形の進化

過去数年のサプライチェーン混乱により、すでに急成長していたこの分野の人気が劇的に高まりました。特に医療と航空宇宙企業で顕著です。2018 年と 2019 年の Deloitte と PwC の予測では、金属や他の非プラスチック材料が 3D プリントで利用可能になりつつあることから、3D プリントの人気は継続して高まると予測されました。PwC は特に、プリンタとソフトウェアを製造する企業、プリント材料サプライヤー、サービス企業を含む金属積層造形サプライチェーン全体の成長を予測しました。これはニッチ市場で 3D 金属プリントを補完する技術が提供され始め、セクターの成熟の兆しとして実現しつつあります。

金属 3D プリントは当初は大規模産業用 DMLS プリンタに限定されていましたが、より複雑で小型のマシンへと進化し、より幅広い生産範囲を可能にしました。金属バインダージェッティングモデルを含む小型金属 3D プリンタが市場に出てきています。これらは工場床面積を取らず、コストがはるかに低く、金属積層造形を始めたい企業の参入障壁を下げています。同時に、大型産業用プリンタの製造業者はより大型のプリントベッドを作り、1 回のプリントでより多くのパーツを作れるようにしています。また、大型 DMLS プリンタにますます多くのレーザーを追加し続けており、プリントの速度と一貫性を高め、予測を容易にしています。

金属積層造形の結果予測も容易になっています。本来ユーザーはプリントしてみるまでパーツの仕上がりを確認できませんでしたが、新しいプリンタには設計結果を予測するより優れたソフトウェアが搭載されています。デジタルツインのような概念は、プリントが始まる前に 3D プリントパーツがどうなるかをシミュレートし、技術の進歩とともにエラーの混入を防止します。将来的にはこれらのツインが、パーツが多数の製造プロセスを経る際、複数のプログラムとマシン間でも機能するようになるでしょう。

金属材料自体も積層造形用により入手しやすくなっています。金属フィラメントと粉末のコスト低下が予測されています。また、ポリマー封入金属射出成形材料を使用するプリンタが市場に登場しており、従来の 3D プリント金属より安価です。同時に、タングステンなどの難融金属のような高性能金属への関心が企業で高まっています。将来的にはより多くの高性能金属が産業用途で利用可能になるでしょう（高エントロピー合金など）。しかし、積層造形プラスチックも進化し続けており、最終的には高価で希少な合金の一部特性で金属に取って代わる安価な代替とな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注目を集めているのか？次のセクションで見るように、さまざまな業界がそれぞれ異なる側面に価値を見出しています。一般的に、この新しい製造方法により以下が可能になります：

• 効率的なエネルギーと材料使用
• 使用地点でのオンデマンド パーツ作成
• サプライチェーンの短縮
• 設計の自由度向上
• 他のあらゆる製造タイプより少ないセットアップ（複数工具セットより柔軟性が高く低コスト）

金属積層造形のアプリケーション

金属 3D プリントは、短納期が重要で、小さなパーツを作るのに高価な金属を多く使用する市場で最も人気があります。航空宇宙と防衛企業が最初に 3D 金属プリントを採用し、続いて医療と歯科業界が続きました。これらの業界が最初に金属 3D プリントを採用したのは、他のセクターよりこれらのセクターの標準パーツを高コストにする要因に対処できるためです。

航空宇宙パーツは、希少材料の使用、短納期の必要性、仕様通りに性能を発揮するために必要な超精密さなど、いくつかの理由で歴史的に高価です。また、可能な限り軽量である必要があります。金属積層造形は、これらすべての要因を従来の製造プロセスより安価に解決します。3D プリント金属パーツは、他の方法で製造された同一パーツより最大 70% 軽量化できます。プリンタは必要な材料のみを使用するため、チタンやニッケル合金などの高価な材料の廃棄が減算製造プロセスと比較して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で既にタイトな納期が短縮され、より少ない労力（したがってコスト）で追加の精度が可能になります。さらに、航空宇宙の複雑なシステムは、プリントにより必要コンポーネント数を削減し、複雑なプロトタイプシステムの作成時間を短縮することで、より容易に再設計、簡素化、テストできます。

医療と歯科メーカーも、精密で軽量なパーツを短納期で作れるため 3D プリントを使用します。しかし、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で、より低コストで高度なカスタマイズを達成する必要もあります。

また、自動車会社もハイエンドパーツで金属積層造形を限定的に使用しています。航空宇宙と防衛と同様、金属プリントはシステムの再設計を容易にし性能向上を可能にします。また、金属コンポーネントの軽量化で燃費改善を可能にし、専門的なアフターマーケットパーツの作成を可能にします。しかし、ほとんどの自動車パーツは航空宇宙や医療パーツより安価で、積層造形はまだ他のプロセスの速度に追いついていないため、3D プリントはこれらのメーカーにとって特定の状況でのみ適合します。

将来的には、鉱業と石油・ガス業界も金属 3D プリントを採用する可能性があります。このプロセスはこれらの分野で必須の納期短縮に役立つためです。あるレポートによると、石油・ガス企業の 83% がスペアパーツのために 3D プリントやオンデマンド製造の採用を検討しています。

金属積層造形の具体例

具体的にはどうなのか？航空宇宙では、NASA と SpaceX が金属積層造形で宇宙船パーツを製造しています。NASA はこの技術で、パーツ数を 45% 削減したロケットエンジンターボポンプを作成しました。SpaceX では、3D プリントパーツが SuperDraco 船のエンジン燃焼室に使用されました。

医療分野でも金属積層造形の例があります。2016 年までに FDA が医療手術用の金属 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、カスタム人工肋骨ケージと頭蓋骨インプラントにも使用されています。Xometry は 3D プリントと他の製造サービスを通じて、医療的に検証されたパーツで新しい手術ロボットプロトタイプの構築を支援しました。

他にもこの技術を採用した企業の注目すべき例があります。Ford は最近、エンドユースパーツを作成するプリンタを制御する自律ロボットを設置し、プリント生産をスケールアップしました。一方、Volkswagen はドイツ本社工場でバインダージェットプリントを導入しました。複数の石油・ガスサプライヤーも金属 3D プリントを試験または導入しており、PGV は工具スリップやピストンなどのパーツをオンデマンドでプリントし、納期を 50-80% 短縮し、物理在庫を 50% 削減するのに十分な成果を上げています。

金属積層造形の欠点

より多くの業界で普及するには、金属 3D プリントはいくつかのハードルを克服する必要があります。両タイプのプリントは、ビルドプレートのサイズによって同時にプリントできるパーツ数が制限されます。DMLS では、サポート構造除去に必要な後処理が時間かかりコストを増やします。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より速い生産が可能です。しかし、どちらの方法もまだスタンピングや鍛造などの従来製造プロセスの速度と出力には達していません。このため、経済的メリットを確保するために、この方法で生産するパーツを慎重に選択することが不可欠です。

金属 3D プリントにはさまざまな利点がありますが、特定の状況でのみ実装が合理的です。自社がこの製造プロセスの恩恵を受けるか、次にプロセスをアウトソースすべきか内製すべきかを調査することが重要です。

あらゆる企業が 3D プリントパーツの使用を開始できますが、設備とサポートプロセスへの先行投資ができない企業は、サードパーティ積層造形メーカーを利用してパーツを作ることが多いです。社内で積層造形施設を作りたい企業は、DMLS プリンタ（サポート構造除去と DMLS 安全手順など）とバインダージェットプリンタ（プリント済みパーツの焼成・焼結や浸透など）の追加設備とトレーニングを考慮する必要があります。

3D プリントが価値があるか判断するには、自問してください：

• 現在生産しているパーツのうち、どれが 3D プリントで恩恵を受けるか？
• コストメリットはどの程度か？
• ビジネス戦略への影響は？
• サプライチェーンへの影響は？
• どの規制上の考慮事項を考慮する必要があるか？

積層造形の導入を望むあらゆる企業は、まずチームを編成して各部門の人々と話し、利害関係者が誰で、どのパーツを最初に 3D プリントすべきかを把握すべきです。3D プリント導入が可能と判断したら、3D プリントメーカーを利用するか自社でプロセスを構築するかのさらなる決定が必要です。

3D プリントの先行コストに投資する企業は、長期的にコストを節約でき、プロセスをより多く制御できます。優れた積層造形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、この追加の制御は情報共有を避けたい企業に魅力的かもしれません。社内製造を希望する企業は、生産を 1 拠点で集中化するか、複数拠点から分散化するかを検討すべきです。多くの社内導入企業は、サードパーティ積層造形メーカーから始め、何が可能かのアドバイスを得て自社従業員に知識を移転してから自社プリンタを構築します。

恒常的なアウトソーシングでより恩恵を受ける企業には、必要な設備の購入とセットアップの先行コスト予算がない企業が含まれます。また、少量生産を望む企業や、単に製品の短期試作を試みたい企業も恩恵を受けます。最後に、パーツのテストや分析が必要な場合、それを代行できる積層造形メーカーと協力する方が容易かもしれません。3D プリントをアウトソースしたい企業は、3D プリントパーツが OEM、ティア 1 サプライヤー、その他のどこから来るかを決定すべきです。

金属 3D プリント向け設計

3D プリントされる新しいパーツを設計する場合でも、既に他の製造プロセスで生産しているパーツを作成する場合でも、他のプロセスから設計を移植するのではなく、プリントプロセス専用にパーツを設計することが不可欠です。そうでなければ、プリントパーツは良くてコストが増え、悪ければ同じパーツが他のプロセスで作られたものほど性能を発揮しません。

金属バインダージェッティング設計、DMLS 設計、一般的な 3D プリント設計についての詳細なガイドで設計の詳細を説明しています。しかし、簡単に覚えておくべきいくつかのポイントを挙げます：

• 壁厚は自立特徴で最低 0.7 mm（0.024 インチ）、非支持または荷重支持特徴で最低 1.2 mm（0.048 インチ）。壁厚は均一に保つべきです。
• パーツ特徴間に最低 0.5 mm（0.020 インチ）の隙間を確保。
• パーツ設計の閉じ込められた中空部を排除。ここには閉じ込められた材料やサポート構造が残り、後処理中に排出が必要な材料を遮断する可能性があります。
• コーナーを丸めて応力集中を減らし、パーツの寿命性能を向上。
• 片持ち梁には注意。これらは 3D プリントパーツでデリケートで、特に大型で重いものではそうなります。

Xometry の金属 3D プリントサービス

新しいプリンタから材料、ソフトウェアまで金属プリントの発展により、この分野は企業規模を問わず生産とサプライチェーンにエキサイティングな機会を提供します。しかし、他の製造方法では対応できないペインポイントにこのプロセスを適用することが不可欠です。金属積層造形を自社のソリューションと見なす場合、私たちがお手伝いできます。金属 3D プリントのケイパビリティページで私たちがどのように支援できるかご確認いただくか、インスタント見積もりページに直接進んで、製品を作る最適な方法について AI 強化提案を受け取ってください。ファイルと要件を送信すると、1 分以内に見積もりと納期が得られます。

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Dean McClements
Dean McClements は機械工学の B.Eng Honors 卒業で、製造業界で 20 年以上の経験を持ちます。Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を務め、エンジニアリング プロセスとイノベーションへの深い理解を培いました。
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