金属積層造形（メタルAM）の核心知識：現代生産を変える技術

積層造形（アディティブマニュファクチャリング）は、20世紀末の商業化以来、製造業を変革してきました。積層プロセスが業界を席巻し続ける中、メタルAMとその多様な応用が生産現場の最前線へと移行しています。

オープンマテリアルプラットフォームと高速印刷を実現した新型メタルAM機の登場により、メタルAMシステムの売上は急拡大し、2024年までに約40億ドルの収益機会を創出すると予測されています。メタル積層造形の進歩が続く中、そのメリットと、多様な応用が製造業の顔をどう変えているかを理解することが重要です。

クイックリンク

• 金属積層造形の歴史
• 金属積層造形／3Dプリンティングプロセス
• 金属積層造形技術
• メタルAM技術の利点
• CMTCでカリフォルニア工場の積層造形導入を推進

金属積層造形の歴史

積層造形プロセスの起源は、より迅速な製品開発手法が導入され始めた1980年代半ばに遡ります。当初は「ラピッドプロトタイピング」と呼ばれ、適合・機能テスト用の寸法モデルを迅速に作成するプロセスでした。

1987年までに、光造形（SLA）と呼ばれる新しいプラスチック加工技術が商業化され、積層造形初の特許となりました。SLAでは、レーザーでUV感性液体ポリマーを硬化させ、これまでより速く3Dモデルを生成できました。このマイルストーンにより、製造業者・エンジニア・デザイナーは、これまでより効率的に製品を創る新たな機会を得ました。

1990年代初頭には、他のポリマー系積層造形プロセスも商業化されました。1992年には、レーザーで粉末材料を融着させる選択的レーザー焼結（SLS）が利用可能になりました。ほどなく金属積層造形が特許化・市場投入されました。他の積層プロセスと同様、この技術により金属プロトタイプ、製品、工具の迅速な製造が可能になりました。金属積層造形プロセスの導入により、選択した金属粉末を焼結して金属部品を製造できるようになりましたが、低融点材料とステンレス鋼などの高耐性金属を組み合わせられるようになったため、最終結果は合金というよりコンポジットに近い材料となりました。

金属積層造形と3Dプリンティングプロセス

積層造形プロセスは、金属・プラスチック・セラミックを問わず、材料を層ごとに積み上げてオブジェクトを作成します。積層造形は、機械加工、切削、旋削、成形、フライス加工などの「除去型」製造プロセスを補完し、場合によっては置き換えることができます。

積層造形でオブジェクトを作るには、CAD（コンピュータ支援設計）ソフトで設計するか、印刷対象オブジェクトをスキャンします。ソフトウェアがスキャンデータを、3Dプリンティングマシンが層ごとに追従する精密なフレームワークに変換します。

金属積層造形（メタル3Dプリンティング）は、積層造形プロセスを専ら金属に適用したものです。金属粉末をエネルギー源またはバインダーで層ごとに積層することで、精密なオブジェクトを設計・構築できます。積層造形機の進歩により、数年前までは不可能だったオブジェクトが、多様な材料で新たな強度と基準で製造可能になっています。

積層造形で利用可能な金属粉末の種類は常に拡大しています。代表的な材料には、ステンレス鋼各種、ニッケル、コバルトクロム、チタン合金、アルミニウムがあります。この拡大し続ける材料選択肢により、製造業者はオブジェクトの正確な仕様と期待に最適な材料を選択できます。

金属積層造形技術

金属積層造形手法は、金属を接合するプロセス（バインダー、加熱ノズル、レーザー）によって分類できます。以下に代表的な技術を示します。採用技術により、造形部品はネットシェイプ（仕上げ不要）またはニアネットシェイプ（少量の仕上げ必要）になります。

レーザー粉末床溶融法

粉末床溶融（PBF）法は、レーザーまたは電子ビームで金属粉末を溶融・融着させ固体化します。この技法には以下が含まれます：電子ビーム溶融（EBM）、直接金属レーザー焼結（DMLS）、選択的熱焼結（SHS）、選択的レーザー溶融（SLM）。選択的レーザー焼結（SLS）はレーザーを熱源として粉末材料を焼結する追加技法ですが、金属よりポリマーで一般的です。

どの手法でも、ローラーやブレードで前層の上に金属粉末を広げる工程が必要です。この積層プロセスで最も一般的な金属は、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、鋼、コバルトクロム、銅です。

メタルバインダージェッティング

この金属積層造形法は、2Dインクジェットプリンターに似ています。金属粉末をビルドプラットフォームに噴射し、連続式またはオンデマンド式（DOD）でオブジェクトをプリントします。液体バインダーを層ごとに塗布して粉末を結合し、目的のオブジェクトを構築します。造形直後の部品は脆く、焼結と浸透処理による後処理で強化が必要です。仕上げとして、部品を研磨したりニッケルや金メッキを施したりすることも可能です。

バインダージェッティングの独自メリットの一つは、金属粉末の溶融を伴わないため残留応力の蓄積を防げることです。また、最も安価な金属積層造形技術の一つでもあります。

シートラミネーション

この方法では、材料シートを接着、超音波溶接、ろう付けで層ごとに接合しオブジェクトを構築します。シートラミネーションは低温プロセスで、異種材料の接合が可能です。通常、構造用途ではなく視覚・美観モデル向けです。

指向性エネルギー堆積（DED）

より複雑な3Dプリンティングプロセスで、その名の通り、レーザーや電子ビームなどの集中エネルギー源を堆積材料に照射し、同時に層ごとに堆積させながら溶融させます。この技法は、既存構造物の修復や追加材料の付加に一般的に用いられます。DEDは加熱ノズルで溶融材料（通常チタンまたはコバルトクロム）を指定面に堆積させ、そこで凝固させます。

メタルAM技術の利点

過去数十年の存在において、積層造形技術は製造セクター全体に革命的な影響を与えてきました。アセンブリを一体化造形できる——複数部品を接合・締結せず単一ユニットとして造形——ことで、材料廃棄を削減し、通常製品の総合的品質と性能を向上させます。この廃棄削減メリットに加え、メタルAM手法には以下の独自メリットがあります：

複雑さが「無料」になる

従来の除去型製造では、部品設計の複雑さ増大はコスト増大を意味します——より多くの切削、輪郭加工、仕上げ工程が必要になるためです。積層造形では、設計の複雑さはコストをほとんど増やさず、しばしば部品コストを削減します。例：角柱状の単純なブロックなら、ニアネットシェイプビレットからの切削は簡単で少ないパスで済み低コスト。積層造形でブロックを造形するには、形状を構築するため多くのパスで材料を堆積する必要があり、コストは高くなります。しかし、樹根構造のような有機的形状のブレースなら、切削には専用治具と多数のパス、多工程、膨大なツールパスコーディングが必要で高コスト。積層造形ならツールパスはソフトウェアで自動生成され、パス数と堆積材料量が大幅に削減され、低コストで造形できます。

余分なコストの排除

メタル積層プロセスは従来法に比べ材料廃棄を削減します。原材料を必要な分だけ必要な場所に精密に積層するため、固体から削り取る必要がほぼありません。必要な材料のみを必要な場所に配置するため、メタルAM技術は資源効率に優れます。

さらに、高価な工具が不要になることで廃棄を削減し、コストと時間を節約できます。適切なメタル積層造形プロセスを選べば、多様な材料にアクセスし、特定の生産ニーズに対応できます。

幅広い材料選択肢

材料の特性と性能は、化学組成、結晶状態、基礎的な微細構造で決まります。これらの特性により、エンジニアは特定用途の材料選定でトレードオフを強いられてきました。しかし、3Dプリンティング技術の進歩により、この妥協は過去のものになりつつあります。

従来はメタルAMで使用可能な材料に制限がありましたが、利用可能な金属粉末の種類が着実に増えています。代表的な材料：

• ステンレス鋼
• 鋼
• チタン
• アルミニウム
• 銅
• コバルトクロム
• チタン合金
• ニッケル合金
• 金
• 銀
• プラチナ
• パラジウム

積層造形の進歩に伴い、使用可能な金属粉末のリストはさらに拡大し続けるでしょう。

設計能力の向上とトポロジー最適化

メタル積層造形では、従来なら追加時間と部品を要したユニークで複雑な構造を創出できます。アセンブリを一体化造形することで、製造後に接合・締結が必要な複数部品ではなく、単一ユニットとしてより高い強度と効率で製品を生産できます。

さらに、自動設計の最新進歩により、多様な用途向け製品の生産が可能になりました。トポロジー最適化ソフトウェアにより、設計者は部品のパラメータを指定し、ソフトウェアが望ましい構造的・機能的・熱的・その他特性に基づいてアーキテクチャを定義できます。結果として、より強靭、軽量、タフで、自然力や外部条件に耐性のある設計が実現します。

生産リードタイムの短縮

メタル積層造形のよく知られた利点の一つは、設計段階から最終生産までの時間を従来の機械加工に比べて大幅に短縮できることです。3Dプリント後、特定の機械加工や工具による後処理がほぼ不要なため、メタルAMでは数週間ではなく数日で部品を作れます。

CMTCでカリフォルニア工場の積層造形導入を推進

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