FDM 3Dプリント金属部品の性能評価：工業生産への適用可能性

3Dプリントは一時期注目から遠のいたように見えました。材料の制約と同一製品の量産不能により、3Dプリントは部品のカスタム加工向きと考えられてきました。

しかし、3Dプリント技術の継続的なアップデートにより、工業分野での部品製造において更なる可能性が開かれています。例えば「FDM 3Dプリント」です。この技術の継続的改良により、現在では金属製品のバッチ生産がFDMで完了可能となっています。

FDM 3Dプリントとは

FDM金属造形技術は、金属粉末射出成形（MIM）技術を基に開発されました。 MIMはプラスチック射出成形技術を粉末冶金分野に導入して形成された、全く新しい部品加工技術です。

金属粉末射出成形の基本プロセスステップは：まずMIM用複合材料として必要な金属粉末とバインダーを選定し、適切な方法で特定温度下で粉末とバインダーを均一に混合・造粒し、射出成形で成形ブランクを得ます。その後脱脂処理を行い、最後に焼結・緻密化して最終成形品を得ます。

溶解積層造形（FDM）金属3Dプリントは、MIMプロセスと組み合わせ、FDMに類似した3Dプリント技術です。FDMプラスチック造形と異なり、FDM金属造形で使用される材料はフィラメント（ワイヤー）です。一般的なSLM（選択的レーザー溶解）とは異なり、この金属3Dプリント手法は造形プロセスでレーザーを使用せず、粉末も使用しません。

FDM 3Dプリントで金属粉末を製品に変えるプロセス

FDM 3Dプリントは、前述の通りMIMと同様の仕組みで動作します。

1. フィラメント作製（混合・押出）

金属粉末（ステンレス鋼など）とバインダー材料を完全に混合し、押出によりフィラメントを得ます。

2. プリント成形

FDM装置の高温（300℃以上）ノズルでフィラメントを溶融・吐出し、積層造形して一次的な金属部品を得ます。金属混合物がノズルを容易に摩耗させるため、ノズルには高強度・高耐摩耗性が要求されます。真鍮ノズル使用時は、1ロールプリントごとに新しいノズルが必要です。

3. 脱脂

金属部品を加熱し、脱脂してバインダー材料の大部分を蒸発させます（この時点で部品は収縮します）。

4. 焼結

高温焼結で全バインダーを除去し、部品はさらに収縮します。焼結後金属部品のサイズはプリント直後の部品比で15%〜17%収縮（バインダー蒸発、粉末間隙減少、部品緻密化）、品質は20%減少します。

2022年におけるFDM 3Dプリントの製造分野での新たな利点

コンシューマーグレード・プロフェッショナルグレードFDM装置と比較し、産業グレードFDM装置は現在、恒温チャンバーと高温ノズルを追加装備し、プリントチャンバー温度は300℃に達することもあります。

FDM 3DプリンターでPEEK、PEKK、ULTEM、PEIなどの高性能材料をプリント可能となり、耐高温、耐食、高衝撃などの用途要件と、大型・高効率など産業グレード要件を満たせます。

FDM技術とMIMプロセスを組み合わせ（Desktop Metalのソリューションのような）、金属射出材料を直接プリントし、洗浄・焼結を経て最終的に金属部品を製造します。

鋳造であれ金属粉末射出成形であれ、従来技術・材料とFDM技術を組み合わせることで、FDM技術を金属部品の生産・加工に使用可能とし、その利点はより柔軟なハードウェアと低コストにあります。

したがって、3Dプリントは過去2年間のように高強度工業生産タスクを完了できないわけではなく、部品や製品の生産を完全に実現できるようになっています。