7つのコア増材製造技術を発見する

増材製造（AM）、別名3Dプリントは、CAD生成の3Dモデルに基づき、材料の単層を積み重ね層を融合させて部品を造形します。AMは1987年に登場し、近年特に大きな飛躍を遂げながら着実に成長してきました。企業が新しいAM技術を開発・導入する際、コア技術が類似していても独自のマーケティング用語を作りがちです。類似手法に異なる名前がつくことで、市場で混乱が生じやすくなります。この記事では、コア技術を特定し、それぞれの長所と短所を整理します。

ISO/ASTM規格では、層を作る技術を7つのカテゴリーに分類しており、リストの最初の4つが金属に適しています。

バインダージェッティング
指向性エネルギー堆積（DED）
粉末床溶融結合（PBF）
シートラミネーション
材料押出（マテリアルエクストルージョン）
材料ジェッティング（マテリアルジェッティング）
光重合槽光重合（バットフォトポリマリゼーション）

1. バインダージェッティング

AMでユニークなのは、材料融合プロセスで熱を使用しない点です。結合液（バインダー）を選択的に堆積させ、粉末材料を結合して3D部品を形成します。粉末の種類、使用システム、顧客用途要件によりバインダーの種類が決まります。プロセスは、ローラーでビルドプラットフォームに粉末材料を広げ、プリントヘッドが指定箇所にバインダーを粉末上に堆積させることから始まります。ビルドプラットフォームが下がって次の層のためのスペースを作り、工程を部品完成まで繰り返します。未結合粉末は除去されます。

バインダージェッティングの利点

多様な色での部品製作が可能
金属、ポリマー、セラミックなど幅広い材料に対応
AMプロセスとして高速
部品の反りや収縮がない
未使用粉末を再利用し廃棄物を削減
異なるバインダー・粉末組み合わせを可能にする二材料手法を採用

バインダージェッティングの欠点

後処理が必要で全体工程に多大な時間を要する
部品強度が低く、構造部品に必ずしも適さない
マテリアルジェッティングより精度が劣る

2. 指向性エネルギー堆積（DED）

DEDは、レーザー、電子ビーム、プラズマアークなどの集中熱エネルギー源から、粉末またはワイヤー材料を溶融堆積させて3Dオブジェクトを造形します。金属、セラミック、ポリマー部品の製作が可能ですが、主に金属部品と、基板ベッドが移動可能で複雑な形状を作れるハイブリッド製造で用いられます。DEDは、使用エネルギー源と最終用途により、レーザー金属堆積（LMD）、3Dレーザークラッディング、ダイレクトライトファブリケーションとも呼ばれます。プロセスの仕組み上、既存部品への必要箇所への材料追加による修復・肉盛りに主に使用されます。

DEDの利点

強靭で高密度な部品
高速造形レート
材料廃棄物の削減
金属、セラミック、ポリマーと幅広い材料選択
材料の交換が容易
カスタム合金での部品製作が可能
ニアネットシェイプで造形可能
大型部品の製作能力

DEDの欠点

システム導入コストが高い
解像度が低く表面粗さが劣るため二次加工が必要
造形中にサポート構造を使用できない

3. 粉末床溶融結合（PBF）

PBFにはレーザー溶融、電子ビーム溶融、剤・エネルギー溶融、熱溶融の4つのエネルギー源カテゴリーがあります。エネルギー源がプラスチックまたは金属粉末粒子を溶融し、パターンに従って凝固・融合させてオブジェクトを造形します。粉末床溶融プロセスは、造形室と粉末室、コーティングローラーの二室構造です。オブジェクトを作るには、コーティングローラーが動いて粉末材料を造形室に広げ、薄い粉末層を堆積させます。一部のPBFプロセスでは、コーティングローラー後にスクレーパー、ブレード、レベリングローラーを用いて材料最表層の厚さを均一にします。次に、エネルギー源が堆積した金属粉末基材の最表層を溶融します。その層のスキャン・融合が完了すると、造形プラットフォームがインクリメンタルに降下し、同時に粉末室が同量上昇し、工程をオブジェクト完成まで繰り返します。

PBFの利点

機械コストが低い
造形にサポート構造が不要または最小限
多様な材料選択
複数材料の使用可能
粉末リサイクル可能

PBFの欠点

造形が遅く時間がかかる
追加の後処理時間が必要
構造的特性が弱い
表面テクスチャ品質にバラつきがある
反り防止のためビルドプレートサポートが必要な場合がある
造形速度が粉末リサイクル可否を決定する
熱歪み、主にポリマー部品で発生
部品造形に大量のエネルギーを消費

4. シートラミネーション

薄い材料シートを積層し、接着、超音波溶接、ろう付けでラミネートして3Dオブジェクトを造形するAMです。最終形状を作るためにレーザー切断やCNC加工が用いられます。すべてのAM技術の中で、この技術が最も加工分解能（ディテール量）が低いですが、低コストで高速な試作が可能で、入手しやすい低コスト材料を使用できます。

シートラミネーションは7つのタイプに分類できます：

積層造形（LOM）
選択的積層複合造形（SLCOM）
プラスチックシートラミネーション（PSL）
ラミネート工学材料のコンピュータ支援製造（CAM-LEM）
選択的堆積ラミネーション（SDL）
複合ベース増材製造（CBAM）
超音波増材製造（UAM）

シートラミネーションのタイプはわずかに異なりますが、全体的な原理は同じです。ローラーから薄い材料シートを供給するか、ビルドプラットフォームに配置するところから始まります。次の層はプロセスによって前のシートと接着される場合とされない場合があります。目標の高さになるまで積層を続けます。プリントブロックと不要な外縁を除去してオブジェクトを完成させます。

シートラミネーションの利点