レーザー金属3Dプリント：精密部品製造のためのキーファクト

精密部品製造は3Dプリント対応か？

金属の3D付加レーザー印刷の話題は頻繁にニュースになります。あなたはこう思うかもしれません：「メタルカッティング社はいつレーザー印刷について語るのか？」結局、私たちはしばしば金属部品製造のさまざまな他の方法について語っています。

メタルカッティング社では、非常に小さな部品を製造しています。ここでの例では、しばしば1 mm（0.039インチ）× 2 mm（0.079インチ）の寸法を持ち、それを大量に製造します。これらの部品には通常、複雑な形状や内部ボイドは多くありません。チューブかソリッドかのどちらかです。

そこで、3Dレーザー印刷の専門家に問いたいのは、このような大量のこのような小さな部品に、金属の3Dレーザー印刷を使用できるのか？ということです。

金属3Dレーザー印刷の基本手法

まず、金属の3D付加レーザー印刷の3つの主要手法を簡単に見てみましょう。

直接金属レーザー焼結（DMLS）

この最も一般的な手法は、基本的に2D設計を平らな粉末層に溶融させ、粉末を融合させてから層を重ねてオブジェクトを構築します。DMLSはこれまで不可能だった設計を可能にします。しかし、プロセスは非常に遅く、冶金学的には従来のファブリケーションに近づきますが、すべてのケースで等しいわけではありません。DMLSは選択的レーザー焼結（SLS）または選択的レーザー溶解（SLM）としても知られます。

指向性エネルギー堆積（DED）

この粉末供給方式では、高濃度金属粉末ストリームがエクストルーダーを通じてゆっくり放出され、レーザーと合流する際に融解し、部品表面に層を形成します。DEDは金属3Dレーザー印刷で高精度であり、破損部品の修復にも使用されます。この手法はレーザー金属堆積（LMD）として知られます。

金属バインダージェッティング

この手法は、粉末金属材料に液体バインダー樹脂を塗布することを含みます。層は実質的に「接着」され、その後高温炉で焼結されます。このプロセスは他の2手法より高速で低コストですが、結果はDMLSやDEDほど強靭でも緻密でもありません。

レーザー金属印刷の用途例

金属レーザー印刷は多くの用途で普及しています。試作から、さまざまな業界での機能部品、ジュエリーやキッチンウェアなど日常品の大量カスタマイズ生産まで多岐にわたります。

金属レーザー印刷は歯科・整形外科インプラント用途で非常に人気です。個々の患者ニーズに合わせたカスタマイズが可能です（詳細はブログ「3Dプリント医療機器向け金属部品研磨」をご覧ください）。金属レーザー印刷は航空宇宙業界でも広く使用されています。例えば、次世代LEAPジェットエンジンには3Dプリント燃料ノズルが採用されています。

よくある誤解

金属3Dレーザー印刷について、人々はいくつかの誤った前提を持っています。馬鹿馬鹿しく聞こえますが、3D CADモデリングで設計されているからといって、それが「3Dプリント対応」になるわけではありません——3Dレーザー印刷プロセスには独自の後処理が必要です。

あらゆる製造手法と同様、使用する特定材料の特性も考慮しなければなりません。例えば、レーザー金属印刷が金属鋳造の代替になるという想定があります。逆に、レーザーは鋳造できないユニークで複雑な部品に適しています。3Dレーザー印刷金属オブジェクトの特性は、金属で鋳造された「同じ」オブジェクトの特性とは異なります。

また、CNCフライス加工向けに設計された部品をレーザー印刷で作ると非常に高価になります。減法製造部品はより多くの質量と体積を持ち、その設計は3D製造の固有の利点——本質的にボイドと軽量高強度構造——に最適化されていないからです。

レーザー金属印刷のメリット

エンジニアの視点から、金属3Dレーザー印刷のおそらく最も重要なメリットは：

• 減法加工では不可能な完全に閉じたボイドやその他の形状を生成できる
• 以前は不可能だった、驚異的な部品強度と軽量設計を生み出す構造

航空宇宙のような業界では、航空機重量の削減が燃料消費削減を意味するため、軽量化は重要な目標です。

用途の視点から、レーザー金属印刷の最も重要なメリットは、3D付加レーザー印刷がもたらした「大量カスタマイズ」でしょう。航空の交換部品から歯科のクラウン・ブリッジ、整形外科・義肢の革新、そしてもちろん試作ビジネス全体まで、業界を問わず広がっています。これらのユニークな形状の一部は減法では決して製造できません。減法加工や鋳造ならピースコストが低くても、どちらの手法も3Dレーザー金属印刷が可能にしたほぼ瞬時の納期には到底及びません。

金属レーザー印刷は製造プロセスでの廃棄材料量も削減できます。従来の減法切断手法が形状を作るために材料を除去するのに対し、3Dレーザー金属印刷は必要な材料のみを付加することで形状を実現します。

金属粉末が入手可能な限り、3Dレーザー印刷は使用できる金属の面からは柔軟です。チタン、ステンレス鋼、インコネル、コバルトクロム、真鍮、銅、青銅、金・銀・プラチナなどの貴金属が含まれます。しかし、不活性雰囲気での3Dレーザー印刷の課題は克服されたものの、特定金属の適切な焼鈍は依然として不可能です。例えば、タングステンは3D印刷で「構築」できますが、結果として得られるタングステン金属ブロックは脆すぎて使用に耐えません。

金属部品レーザー印刷のデメリット

付加的3Dレーザー印刷は確かに「不可能を可能にする」ことで有名ですが、精度はどうでしょう？ 3D印刷は小型精密金属部品の製造に良い手法でしょうか？

最も成熟し発展したDMLSを見てみましょう。ここで寸法精度を駆動する重要変数は：

• 粉末粒子のサイズ
• エレベーターステップの高さ間隔
• レーザービームのサイズ

これら各要因が寸法公差を決定します。大きな金属粉末粒子サイズは大きなステップを生みます。各粉末層の高さも同様に達成可能な公差を決定します。
そしておそらく最も重要な変数はレーザーサイズです。微細なビームはより高い精度を、大きなビームはより不正確な寸法を生みます。問題は、より小さなレーザービームはより少ない熱を発生する——つまり、仕事を完了するのにより長い時間がかかる——ことです。したがって、非常に精密で/または非常に小さな部品が得られますが、製造により長い時間を要します。これが、コストを押し上げます。

レーザー金属印刷が時間を要する他の側面もあります。再び人気のDMLSを見てみると、すべての部品には、ポーチのスズメバチの巣を吊り下げる微細な糸のような、小さな取り付けポイントがあります。10,000個のレーザー印刷部品があれば、10,000個の取り付けポイントを分離しなければなりません。このベースからの分離作業は通常EDMで行われますが、どの手法を用いても、10,000回繰り返せば付加製造の利点のほぼすべてが相殺されます。

現実として、真の大量生産は金属3Dレーザー印刷では依然として不可能です。これは、数万個の非常に小さな部品の製造には非現実的で高コストです。さらに、3Dプリンターの高い初期コスト——最新卓上型で少なくとも10万ドル、チタンなどの金属用制御雰囲気プリンターや航空機部品製造用巨大エンクロージャーでは100万ドル超——があります。この高コストは、レーザープリンターの提案用途が、従来の金属ファブリケーション手法の価値から「引き算」するために、本当にユニークな何かを「足す」必要があることを意味します。

未来はどうなるか？

頑固で変化を拒んでいると思わせたくありません。実は、ニューラボのスコット・コーエン氏とそのパートナー、デビッド・ベル氏にエールを送りたいと思います。彼らは誰よりも未来を知っており、ニューラボの誰かが今見ている問題のいくつかをいつか解決してくれると確信しています。

卓上サイズの3Dレーザープリンターの開発——巨大な産業用機械ではなく——により技術はよりアクセスしやすくなりますが、それでも金属レーザー印刷が小型精密部品の大量生産に適するとは思えません。この場合、小さな機械が小さな部品を作るわけではありません。しかし、もちろん、いつか我々が間違いだと証明される日が来るかもしれません！

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