先進3Dプリント技術：第2回－積層製造の探求

第2部：3Dプリント技術

3Dプリント（積層製造：AM）には、選択可能な多様なプリント技術が存在します。各手法間に大きな違いがあるものの、全ての3Dプリント技術は同じ基本原理で動作します：積層製造技術は、ワークピースを層ごと、またはプログラムされた経路に沿って材料を堆積させることで構築します。

層の形成方法に基づき、3Dプリント技術は主に7つのカテゴリーに分類されます：

1. 材料押出法（Metal Extrusion）

ノズルやその他のオリフィスから材料を選択的に吐出します。1層完了後、ビルドプラットフォームが下がるか、または押出ヘッドが上がり、次の層が吐出・前層に接着されます。主な対応材料：

• 熱可塑性樹脂
• 共晶金属
• セラミックス
• 複合材料
• モデリングクレイ
• 金属充填クレイ
• コンクリート
• 食品
• 活細胞

この技術には、溶融積層法（FDM）または溶融フィラメント製造法（FFF）の2つのサブカテゴリーがあります。主要プロバイダー：Stratasys、Arbur、Aleph Objects、Beijing Tiertime、MarkerBot Industries、Ultimaker。材料押出法はAM機器の最大設置ベースを占め、Stratasysが開発しました。

2. マテリアルジェッティング（Material Jetting）

1つ以上のインクジェットプリントヘッドが、粉末ベッド上を移動しながら微小なビルド材料滴を堆積させます。複数のプリントヘッドを使用できるため、それぞれ異なる材料をプリント可能です。「ダイレクトライティング」技術も採用可能で、ナノ粒子サイズのプリント材料を原子化し、不活性キャリアガスと混合してエアロゾル化、表面に噴射します。

対応材料：

• 光重合性樹脂
• ワックス様材料
• 金属／非金属
• 導体
• 誘電体

主要プロバイダー：3D Systems、Stratasys、Solidscape、Keyence。この技術はインベストメント鋳造用パターンの製造にも使用可能です。

3. バインダージェッティング（Binder Jetting）

バインダージェッティングでは、インクジェットプリントヘッドノズルから液体結合剤を精密に吐出し、粉末材料を接合します。マテリアルジェッティングとは異なり、ノズルから吐出されるのは生のビルド材料ではなく、粉末ベッド上に堆積して粉末を所望の形状に保持する液化結合材料です。

対応材料：

• アクリルポリマー
• 金属
• 砂
• セラミック

主要プロバイダー：3D Systems、ExOne Company、Voxeljet Technology GmbH、Microjet Technology、Digital Metal、HP。この方法は砂型鋳造用の砂パターン構築にも使用可能です。

4. シートラミネーション（Sheet Lamination）

シート材料の層を接合して設計を実現します。シート材料は、接着剤処理された紙（積層時に合板のような固体を形成）または金属箔・テープ（金属部品を形成）のいずれかです。シートラミネーションは「積層物体製造（LOM）」とも呼ばれます。

主要プロバイダー：Helisys、Micro Technologies、Fabrisonic。

5. 槽光重合（Vat Photopolymerization）

槽内の液体光重合性樹脂を、光活性化重合により選択的に硬化させます。この技術は光重合性樹脂のみで動作します。現在、2種類の槽光重合技術が市場にあります。

• ステレオリソグラフィ（SLA）：紫外線レーザーとコンピュータ制御ガルバノメータに搭載されたX-Yスキャンミラーを使用し、槽内の液体光重合性樹脂の最表層を硬化。レーザーが触れた各点が硬化します。SLはAM初期において疑いなきリーディングプロセスでした。

 

• 槽重合はデジタルライトプロセッシング（DLP）にも拡張されました。レーザーの代わりにデジタルライトプロジェクタースクリーンを光源として使用し、層全体の画像を一度に投影・硬化させます。

主要プロバイダー：3D Systems、Envisiontec、DWS、Asiga、Rapid Shapeなど。

6. 粉末床溶融（Powder Bed Fusion）

熱エネルギーで粉末床の領域を選択的に溶融。熱エネルギーで粉末材料を溶かし、冷却時に固相へ変化させます。エネルギー源はレーザーまたは電子ビームです。

このプロセスは以下の名称でも知られます：

• レーザー焼結
• 直接金属レーザー焼結
• 選択的レーザー焼結
• 電子ビーム溶解
• 選択的レーザー溶解

レーザー式技術は電子ビーム式より優れた表面仕上げと微細ディテールを実現します。電子ビームは初期コストが高いものの、より高速で残留応力の低い部品を製造可能です。

金属AMシステムの大半は粉末床溶融プロセスを採用。EOSは最大の設置ベースを持つ確立された金属AMプロセスです。高エネルギー粉末床溶融（PBF）プロセスは、高コストながら従来のインベストメント鋳造業界のシェアを脅かしています。PBFプロセスは、インベストメント鋳造とほぼ同等の冶金的品質を持つ合金から複雑な3D形状を製造可能。SLMは最も成熟したAM手法で、金属プリント市場の70%以上を占めています。

対応材料：ポリマー、金属、砂。主要プロバイダー：3D Systems、EOS、Arcam、SLM Solutions、Realizer、Concept Laser、Aconity3D、Proto Labsなど。

7. 指向性エネルギー堆積（Directed Energy Deposition）

材料堆積と同時に熱エネルギーで材料を溶融。多くの場合レーザーをエネルギー源とし、材料は金属粉末です。4軸または5軸モーションシステムで堆積ヘッドを位置決め。この技術は金属材料のみで動作しますが、複数の金属材料を同時に使用可能です。

指向性エネルギー堆積（DED）技術の主要プロバイダー：Optomec、POM Group、BeAM、Trumpf、RPM、Innovations。DEDは「ブローパウダーAM」や「レーザークラッディング」とも呼ばれます。既存ワークピースへの材料追加に適しており、部品の修理や改造に最適です。

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