金属3Dプリンティング：技術とプロセスの概要

金属3Dプリンティングとは？

金属3Dプリンティング（積層造形、金属積層造形とも呼ばれる）は、金属粉末を層状に選択的に堆積・溶融させることで三次元物体を作製する技術です。電子ビームメルティング（EBM）や選択的レーザーメルティング（SLM）などの手法が用いられます。従来の製造技術と比べ、金属3Dプリンティングは設計の自由度、複雑な幾何学形状、高精度な複雑・カスタマイズ金属部品の製造において優位性を持ちます。

動作原理

金属3Dプリンティング（積層造形）は順序的なプロセスで進行します。まず3D CADソフトウェアでデジタルモデルを作成し、モデルを薄い層にスライスして金属粉末を用意します。SLMやEBMなどの技術を用いて、プリンターはスライスされた設計に従い金属粉末を層ごとに選択的に溶融・融合させます。この層別アプローチを繰り返すことで物体が完成します。その後、サポート構造の除去や熱処理・表面仕上げなどの後処理が行われる場合があります。結果として、複雑なディテールと精密な仕様を持つ完全な金属オブジェクトが得られます。

金属3Dプリンティングの主要方式

業界で一般的に用いられる金属3Dプリンティング技術は主に5種類あります。選択的レーザーメルティング、電子ビームメルティング、ダイレクト金属レーザーシンタリング、バインダージェッティング、指向性エネルギー堆積がそれにあたります。

選択的レーザーメルティング（SLM）

人気の金属3Dプリンティング技術である選択的レーザーメルティング（SLM）は、高出力レーザーを用いて金属粉末を選択的に溶融・融合させ、非常に複雑な幾何学形状を持つ完全に密な金属部品を製造します。

SLMプロセスでは、ビルドプラットフォームに均一に薄い金属粉末層を塗布し、レーザーが粉末層をスキャンしてデジタル設計に従った特定領域を溶融します。
複雑な設計、高精度、高い構造的一体性が求められる用途において、SLMはレーザーの精密制御により優れた機械的特性を持つ高度に詳細でカスタマイズされた金属部品を生産できるため、好まれる選択肢です。

複雑な設計、高精度、高い構造的一体性が求められる用途において、SLMはレーザーの精密制御により優れた機械的特性を持つ高度に詳細でカスタマイズされた金属部品を生産できるため、好まれる選択肢です。

（図1：JLC3DP SLM設計ガイドライン）

電子ビームメルティング（EBM）

電子ビームメルティング（EBM）は、SLMと類似した先進金属3Dプリンティング技術ですが、レーザーの代わりに電子ビームを用いて金属粉末を溶融・融合させます。

EBMでは、集束された電子ビームが金属粉末ベッドをスキャンし、デジタル設計に従って層ごとに選択的に溶融します。このプロセスにより金属粒子が精密に溶融・融合され、優れた機械特性を持つ大型金属部品が製造されます。EBMは高い造形速度、低残留応力、複雑な形状の製造能力といった利点を提供します。

頑丈で複雑かつ機能的な金属部品の製造が求められる航空宇宙、自動車、医療などの産業で特に好適です。

ダイレクト金属レーザーシンタリング（DMLS）

SLMと密接に類似した積層造形法がダイレクト金属レーザーシンタリング（DMLS）です。DMLSは低出力レーザーで金属粉末を選択的に焼結し、粉末を層ごとに融合・結合させることで目的の物体を作製します。この技術により、小ロット生産部品や機能的プロトタイプを非常に高精度かつ詳細に製造できます。

DMLSの利点は、様々な金属材料を扱う汎用性と複雑な形状を作製する能力にあります。医療、自動車、航空宇宙など、小ロット生産と迅速なプロトタイピングが不可欠な分野で、適応性と頑丈な金属部品の製造能力により好まれる選択肢です。

バインダージェッティング

バインダージェッティングは、金属粉末層に液体バインダーを選択的に噴射して粉末粒子を接着させる積層造形プロセスです。ビルドプラットフォームに薄い金属粉末層を塗布し、プリントヘッドで特定部分に液体バインダー液滴を付与して固化させるという工程を層ごとに繰り返します。印刷後は通常、バインダーを除去し金属粒子を融合させて緻密で固体の金属部品を作るため、焼結などの後処理が施されます。

バインダージェッティングは、造形速度とコスト効率という点で他の金属積層造形法と比べて大きな利点を持つ金属3Dプリンティング技術です。液体バインダーを金属粉末層に選択的に噴射して粒子間を結合させるプロセスにより、複雑な形状と精巧なディテールの作成が可能です。

最大の利点の一つが高い造形速度です。金属粉末にバインダーを高速で堆積できるため、他の金属3Dプリンティング技術と比べて生産時間が短縮されます。これにより、金型など納期が重要な用途に特に適しています。

コスト効率も顕著な利点です。比較的安価な金属粉末を使用でき、材料コストを削減します。また高い材料利用率を達成でき、廃棄を最小限に抑えコスト効率に貢献します。

バインダージェッティングは様々な産業で応用されています。金型分野では、複雑な内部チャネルと形状を持つ金型・治具を製作し、製造プロセスの高速化・効率化を実現します。宝飾業界では、高い精度でカスタマイズされた精巧なデザインの作成を可能にします。また、設計の迅速な繰り返しと検証が重要なプロトタイピング用途でも広く用いられています。

ただし、バインダージェッティングは速度とコスト効率に優れる一方、最終的な部品の機械的特性はSLMやEBMなど他の金属3Dプリンティング法と比べて低くなる可能性がある点に注意が必要です。そのため、適度な材料特性で十分な用途で使用されることが多いです。

指向性エネルギー堆積（DED）

指向性エネルギー堆積（DED）は、レーザーや電子ビームなどの集束エネルギー源を用いて、金属粉末またはワイヤ供給材を基板に精密に堆積させる技術です。この手法は、コーティング、大型金属部品の積層造形、修理など多くの用途に利用されています。

DEDでは、エネルギー源が金属供給材を溶融しながら基板に堆積します。集中エネルギーにより熱入力を正確に制御でき、層別の堆積が可能です。この適応性により、損傷した金属部品に材料を追加して元の形状と機能を回復する修理にも利用できます。

コーティングへの応用もあります。基板に金属層を堆積することで、耐摩耗性や耐食性など表面特性を向上させる保護コーティングを作成できます。

DEDは大型金属部品の積層造形にも使われます。金属層を連続的に堆積・凝固させることで、複雑な構造を構築し、特定の形状・特性を持つカスタム設計部品を作成できます。

DEDの利点の一つは、様々な金属・合金に対応できる多様性です。この汎用性により、特定の要求に応じた材料特性を持つ部品を生産できます。
航空宇宙、自動車、エネルギー産業など、大型金属部品の修理・コーティング・製造が重要な分野で採用されています。基板への直接材料追加により、既存部品の修理・強化や複雑形状の新規部品製造にコスト効率の高い効率的なソリューションを提供します。

結論

要するに、金属3Dプリンティングは精密でカスタマイズされ複雑な金属部品の製造を可能にする革新的技術です。DMLS、バインダージェッティング、EBM、SLM、DEDなど様々なプロセスを使って金属オブジェクトを層別に作製し、独特の設計機会と実用的利点を提供します。これらの積層造形技術は、宝飾、自動車、航空宇宙、医療など幅広い産業で活用されています。継続的な発展により、金属3Dプリンティングは製造プロセスを変革し、様々な産業でイノベーションを促す巨大な可能性を秘めています。