金属3Dプリンティング：主要課題の克服と新たなソリューションの活用

金属3Dプリンティングには実用上の課題と機会が存在します。どこでつまずきやすいか、どう対処すべきかを深く理解し、市場の方向性を変える新技術についても学びましょう。

金属3Dプリンティングの未来はすでに到来していますが、導入コストが逆風となる可能性もあります。大手製造企業はこの分野に深く参入しており、中小の専門ショップの協力を必要とするかもしれません。3Dと金属を組み合わせるには何が必要か？ 新しいエンジニアリングアプローチの採用、金属粉末などの新素材への適応が第一歩です。

SpaceX、NASA、Boeing、Lockheed Martin、GE Aviationなどが主要部品を金属3Dプリンティングで製造しています。これらのメーカーは、都市間を結ぶ航空機、宇宙飛行士を低軌道へ運ぶ宇宙船、赤いテスラ・ロードスターを小惑星帯へ打ち上げるロケット用の金属部品を3Dプリントしています。医療分野でも、人工股関節や事故被害者の頭蓋骨修復プレートなど、3Dプリントインプラントで積層造形を活用し始めています。自動車や消費財分野でも導入が進んでいます。

これらの大手航空宇宙企業の下請けメーカーであれば、この複雑な技術に伴う課題をすでに理解されているでしょう。従来のCNC加工や製造プロセスを我々の生きている間に置き換えることはないでしょうが、利用可能な製造オプションの地図を確実に塗り替えています。

数字を見てみましょう：市場調査会社IDTechExは、金属3Dプリンティング市場が2028年までに120億ドル規模に成長すると予測しています（2018年は約25億ドル）。2016年のEY調査では、回答企業の52%が3Dプリンティング材料として金属を最優先に選択。次点のポリマーは31%、セラミックを希望するのは6%でした。

「企業が金属を選ぶのは、貴金属、チタン、工具鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金で製品をプリントできるからです」とEYは報告しています。「すでに金属3Dプリンティングを採用している企業のうち、航空宇宙と自動車の2業種が上位を占めます。これらの企業の65%が金属3Dプリンティングを使用しており、この高い比率は両分野の製品に膨大な金属部品が使われているためです。」

金属3Dプリント部品の待ち時間と後処理に備える

3Dプリンティングビジネスに参入する前に、心構えが必要です。当たり前ですが、この方式での部品製造は、アルミブロックを削り出すのとも、コバルトクロムシャフトを旋削するのとも全く異なります。工具はレーザー、材料は金属粉末の層、治具は平らな金属プレート。プログラムを読み込みサイクルスタートを押せば、数時間から数日後に部品が完成します。ほぼ、ですが。

ここがポイントです：金属3Dプリンティングの造形速度は切削加工に比べて極めて遅いだけでなく、造形直後の部品は必ずしも完成品ではなく、寸法精度も出ていません。ダイレクトメタルレーザー焼結、電子ビーム溶解、選択的レーザー溶解のいずれの名称で呼んでも、粉末床溶融法の典型的な公差は±0.005インチ（約0.127mm）程度、表面粗さはインベストメント鋳造相当（良くて125 Ra前後）です。したがって、重要な面の仕上げ、穴あけ、ねじ切りなどには、通常、機械加工による後処理が必要になります。

さらに、粉末床溶融では造形中にワークを支えるサポート構造（足場）が必要です。そのため、これらのサポート除去のために研削、ビーズブラスト、追加工が必要になることもあります。

3Dプリンティングが製造業に与えたインパクトの基本的な背景を知りたい方は、「製造業における3Dプリンティングの意義」をご覧ください。

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高温が金属に与えるストレス：3Dプリンティングの熱変形

熱応力も考慮しなければなりません。レーザーや電子ビームでチタン、アルミニウム、ステンレス鋼、コバルトクロム、工具鋼など数十種類の合金粒子を融点（2,700℃を超えることも）まで加熱し、層ごとに新しい粉末を供給して繰り返します。この繰り返しの加熱と冷却が膨大な応力を生み、造形中に制御し、造形後に焼き鈍し（熱処理）で除去する必要があります。

考慮・管理すべき点が山ほどあります。さらに、3Dプリンティング戦略を追求するには、拡張性、モデリング、積層、シミュレーションも検討しなければなりません。

拡張性

つい最近まで、最大級の金属3Dプリンターでもトースター程度のサイズしか造形できませんでした。現在では市販機でカヌーほどの大きさ、毎時20ポンド（約9kg）の金属堆積が可能です。どのサイズの機械が必要か、どの技術が最適か、予算はいくらか？ 最低でも100万ドル（約1.5億円）以上かかり、習得曲線のコストは別です。

モデリング

積層造形メーカーが直面する最大の障壁の一つは部品設計です。エンジニアは、この技術で成功するために異なる発想を学ぶ必要があります。つまり、従来製造不可能だった複雑な形状や「有機的な形状」を積極的に採用することです。もちろん、そうした奇抜な形状の部品をどう治具で固定するかは、機械技師や製造エンジニアの腕の見せ所です。

積層

設計が承認されたら、3Dプリンタープログラマーやオペレーターがサポート構造を設計し、部品の最適な配置と造形方法を決定します。朗報は、この目的のためのソフトウェアが豊富にあり、かつてほど難しくないことです。

シミュレーション

粉末が床に敷き詰められ、造形プレートがきれいになり、金属が溶ける準備が整いました。しかしボタンを押す前に、ソフトウェアシミュレーションで造形プロセスを評価することが重要です。これにより、熱応力が発生しやすい箇所の特定、サポート構造が必要（または不要）な箇所の検出、既存設計が3Dプリントに適しているかの確認ができます。

金属3Dプリント、新たなパートナー「ポリマー」と出会う

金属3Dプリンティングの世界では、粉末床溶融法が現在のところ主流です。しかし、熱スプレーや押出し方式など、粉末床方式の領域に割って入る新技術がいくつか登場しています。これらは低コスト（50万ドル以上の粉末床機やハイブリッド機に対し12万ドル程度）、高精度、大幅な造形高速化を謳っています。その一つはインクジェットプリンターのように動作しますが、「インク」は金属粉末とポリマーバインダーの混合物です。

部品は「グリーン状態」で積層造形された後、焼結炉で焼結されます。これは数十年前からある金属粉末射出成形（MIM）とは少し異なります。同じ金属粉末を使うため、他の積層造形用粉末ほど冶金学的な厳密な審査を受けません。そしてすべての金属3Dプリンティング技術と同様、完全致密な部品が得られます。

一部の新型ポリマープリンターで使われる「バインダージェット」技術と同様に、造形速度は競合の10〜100倍と報告されています。機械コストは粉末床やハイブリッド工作機械の一部です。サポート構造がほぼ不要で、必要な場合も焼結後に簡単に取り外せます。レーザー光を使わずバインダー硬化にUVのみを使用し、金属材料が一般的なオフィスワーカーにも扱い慣れたカートリッジ供給されるため、健康・安全上の懸念が大幅に減ります。

Modern Machine Shop編集長のピーター・ゼリンスキー氏は「低コスト金属AMの到来？」との記事でこう指摘しています。「最終用途部品の製造に金属3Dプリンティングを採用する機械加工業者は一部いましたが、すべてのショップができることではありませんでした。今や低コスト金属3Dプリンティングにより、ショップが金属部品に対して積層と切削を日常的に併用するようになるかもしれません。また、積層造形に適した金属部品の範囲が拡大する可能性もあります。」

金属3Dプリンティングやその他の積層造形プロセスの経験はありますか？ あなたのショップではどうでしたか？