金属3Dプリンターの造形方法を整理。造形精度を高めるため光学メーカーが開発した金属3Dプリンターとは

INTERVIEW

株式会社ニコン
デジタルソリューション事業部 
参事補 シニアプロダクトマネジャー

熊佐 淳司
次世代プロジェクト本部 企画管理室 参事補
鳴嶋 弘明

近年、製造業における3Dプリンターの活用・普及が進んでいます。3Dプリンターによる造形で使用される素材は、今までは樹脂素材が中心でした。しかし、金属素材による造形も徐々に活用されるようになり、導入・普及に関して関心が高まっています。
株式会社ニコン(以下ニコン)は、カメラをはじめとする各種の光学機械のほか、半導体露光装置や測定機類の製造・販売を行っていますが、最近では新規事業の創出にも力を入れる同社は、得意とする光学設計などの技術を活用して、パウダーデポジション方式に分類される、LMD(Laser Metal Deposition)方式を採用した金属3DプリンターLasermeister(R) 101Aを開発しました。同金属3Dプリンターの特徴や開発コンセプト、ターゲットユーザーなどを聞くとともに、金属3Dプリンター業界の現状や今後の展望などについて、デジタルソリューション事業部参事補シニアプロダクトマネジャーの熊佐淳司(くまさ・じゅんじ)氏と、次世代プロジェクト本部企画管理室参事補の鳴嶋弘明(なるしま・ひろあき)氏にお話を伺いました。

金属3Dプリンターの造形方式、パウダーベッド方式とパウダーデポジション方式

金属3Dプリンターの方式には大きく分けて2つあります。1つが、パウダーベッド方式(Powder Bed Fusion)。粉末床溶融結合法とも呼ばれます。もう1つが、パウダーデポジション方式(Powder Deposition)です。指向性エネルギー堆積法(Directed Energy Deposition)とも呼ばれます。

パウダーベッド方式(Powder Bed Fusion)

パウダーベッド方式は、造形する形状を薄い層に分けて造形し、それを積み重ねていくことでプリントします。まず、1層分の金属粉末を薄く敷き詰め、レーザーや電子ビームを照射して金属粉末を溶融・凝固または焼結し、これを何度も繰り返すことで造形します。造形終了後は、不要な金属粉末をエアブローなどで除去して、造形物を取り出します。

パウダーベッド方式において、レーザーを用いた方法には、SLS(Selective Laser Sintering、レーザー焼結法)、SLM(Selective Laser Melting、選択的レーザー溶融法)などがあり、現在最も普及している方式です。SLS方式では、造形後に焼き固めるプロセスが必要なため、造形物が収縮してしまう問題がありました。より出力の高いファイバーレーザーを用いた、後処理を必要としないSLM方式が現在は主流となっています。

電子ビームを使用する方法は、EBM(Electron Beam Melting)と呼ばれ、SLM方式などと同様に、金属粉末を1層ずつ溶融・凝固させて造形していきます。電子ビームを真空中で金属粉末に照射して衝突させ、運動エネルギーが熱に変換されることで粉末が溶融します。レーザーを用いた方法では、ミラーの角度を機械的に制御して照射する方向を変えていますが、電子ビームは磁界を用いて方向を制御しているので、高速な位置決めが可能となり、造形速度が速くなります。

パウダーデポジション方式(Powder Deposition)

パウダーデポジション方式は、ノズルから所定の場所に金属粉末を噴射すると同時に、レーザーを照射して粉末を溶融・凝固させることで造形をおこなう方法です。造形後に金属粉末を除去する必要がなく、複数のノズルを使うなどして噴射する金属粉末を変更すれば、異種金属による造形も可能です。また、既存の部品に対しても造形(付加造形)もできます。これにより、単に金属でワークを造形するだけでなく、部分的に機能の異なる金属でコーティングしたり、破損部分を溶接の肉盛りのように補修をしたりすることも可能です。
同時に複数個の造形が可能なパウダーベッド方式と比較して、量産性は低くなります。しかし、装置を小型化しやすく、粉末処理や防爆対応の換気装置といった付帯設備は最小限にできるので、設置や取り扱いが容易です。


パウダーデポジッション方式の弱点とされる造形精度を光学ユニット・5軸造形機構で補う

ニコンの金属3DプリンターLasermeister(R) 101Aは、パウダーデポジション方式に分類される、LMD(Laser Metal Deposition)方式を採用しています。

「金属3Dプリンターとして、新たな世界、用途、ユーザーを切り開いていくことをコンセプトとして開発、販売をしています。特長としては、大きく2つ。1つめが、高精細、高精度のLMD 方式の金属3Dプリンターであること。2つめが、装置の設置自由度、使いやすさ、安全性など、低い導入ハードルです」と、鳴島氏は話します。

同金属3Dプリンターは、幅が850 mm、奥行き750 mm、高さが1,700 mmと家庭用大型冷蔵庫程度のサイズとなっています。重量も320kgと軽量です。パウダーベッド方式の金属3Dプリンターと比較すると、非常にコンパクトで、一般的なエレベーターでも搬入が可能なサイズです。

「このサイズと重量ならば、数人で運搬、設置ができます。設置場所も1階ではなく、エレベーターで移動させて上の階に設置できます。ワークサイズは手に乗るサイズ程度と小型ですが、いろいろな加工ができますので、設置しやすさ、使いやすさという点で、導入のきっかけとなります」と、鳴島氏は話します。

同金属3Dプリンターの最大加工寸法は、150mmφ、高さ150mmです。造形用紛種としてSUS、ハイス鋼、ニッケル基合金に対応しています。パウダーデポジッション方式の弱点とされる造形精度に関しては、線幅0.5mmとパウダーデポジッション方式としては高精細です。

「多くの金属3Dプリンターメーカーでは、光学ユニットは光学メーカーから調達して取り付けています。我々は光学メーカーなので、光学設計を自前でおこなうことができます。装置中心部の光学系を小さくすることができると、駆動するステージも小さくでき、結果的に装置全体を小さくできます。高精細の点では、レーザー光を効率的に集光し、低出力でも十分なパワーを出せるようにしました。光学メーカーの知見をうまく使い、独自の光学系を搭載しています」(鳴島氏)

同金属3Dプリンターでは、5軸機構による造形を採用しています。造形のボトルネックとなるバンク角を開放することで、自由な造形が可能となりました。

「XYZの3軸で積層していくと、角度が急なところに関しては造形ができなくなるため、造形物を支えるサポート材が必要になります。樹脂であればサポート材をニッパー等の簡易な工具で切断ができますが、金属は加工機で除去する必要があります。5軸機構の採用でサポート材が不要になり、自由度の高い造形を可能としています。造形後のサポート材処理の手間を省くこともできるようになりました。
また、既存の部品に対して付加造形ができるので、既にある加工部品、機械加工した方が安い部品、市販の金属製アタッチメントなどに対して、付加造形をおこない、新たな機能を追加することが可能です。溶接の肉盛りのように、破損個所の修復などにも利用できます」(鳴島氏)

同金属3Dプリンターには、3Dスキャナーが搭載されています。360°全方位からのスキャニングにより、ステージ上に任意に置いた部材のXYZ座標が自動的に算出されます。

「一般的な工作機械であれば、ワークを押し当てて位置決めをおこない、原点位置の算出などの段取りをおこないます。ニコン独自の機能として、装置内にあるカメラを使ってそれをやってしまうわけです。冷蔵庫の中にペットボトルを置くような感覚で、その座標を算出できます。付加造形をおこなうワークを置いてもらえれば、自動でワークの位置座標を算出して造形が可能になります」(鳴島氏)


ニコンの金属3Dプリンターによるさまざまな造形事例(提供:ニコン)
ニコンの金属3Dプリンターによるさまざまな造形事例(提供:ニコン)


現在広く普及しているパウダーベッド方式の金属3Dプリンターは、特殊な形状の大型の金属部品の製造や、量産には適した装置と言えます。しかし、装置が大きく、付帯設備が必要で、設置に関して広いスペースや大規模な工事が必要となります。それに対し、LMD方式の金属3Dプリンターの特徴について熊佐氏はこのように語ります。

「パウダーベッド方式は、大型で造形スピードが速く、量産性に優れているというのが一般的です。ただ、形状が荒く、微細で細かいものが造形できないという欠点もあります。我々の装置は、形状精度よく、表面粗さも良いものが造形できます。
例えばタービンブレードの補修をする場合、3Dスキャナーで補修するタービンブレードをスキャンし、CADデータとマッチングさせることで、摩耗箇所を認識し、自動でノズルを移動させて修復をおこなえます。形状精度や仕上がり粗さを考えると、そのまま使えるといったメリットが生まれる。そういったシーンでも、Lasermeister 101Aは活用できます。今まで人がやってきたものを自動化して大幅な工程短縮ができ、コストに関しても減らせるメリットがでてきます」


積層造形のみでタービンブレードを補修した例(提供:ニコン)
積層造形のみでタービンブレードを補修した例(提供:ニコン)


金属3Dプリンターのヘビーユーザーとなりえる人たち導入しやすく、使いやすく

前述したように、現在普及しているパウダーベッド方式の金属3Dプリンターは大型で設置場所に制約あり、手軽に使用できるものではありません。しかし、試作や研究目的で手軽に金属3Dプリンターが使用できれば、通常の加工では実現が難しかった構造や機能を持つ部品の加工が可能となります。

鳴島氏はターゲットユーザーについてこのように話します。
「Lasermeister 101Aは、2019年4月に発売した100Aからの進化版です。装置のサイズは同じですが、5軸機構の採用により造形自由度が上がっています。100Aの開発を始めたのが、2016年5月ぐらいからです。パウダーベッド方式の装置は、大きさも価格も導入のハードルがかなり高いものでした。設置や価格面で導入がしやすい。そして、誰でも簡単に使える装置にして、学生や企業内のラボなど、ヘビーユーザーとなりえる人たちに、金属3Dプリンターをより気軽に使っていただきたいという気持ちがありました。

工作機械を使えなければ使えないといった、技術的なハードルはまずはないようにする。工作機械を知っている作業者、職人さんを必要とせずに、2〜3時間講習を受けた学生でも使い始めることができることを考えました。不特定多数の使用者が操作しても、誤って事故を起こさないように高い安全性も考慮しています」

「ニコンとして、光加工機事業を始めるにあたって、まずは認知をさせていかなければなりません。従来から金属3Dプリンターを製造しているメーカーと競合する市場に入っていくことはチャレンジではありますが、金属3Dプリンターの市場で、試作品やサンプル品製作などで使いたいという要望に、ニコンとして応えていきたいと考えています。日本の金属3Dプリンター市場はまだ黎明期です。導入しやすく、使いやすいというところで、金属3Dプリンターの黎明期を脱するようなトリガーになりたいと思っています」(鳴島氏)


パウダーデポジション方式を採用した金属3Dプリンターには防爆対策、インターロック機能などの安全設計が施された(提供:ニコン)
パウダーデポジション方式を採用した金属3Dプリンターには防爆対策、インターロック機能などの安全設計が施された(提供:ニコン)


金属3Dプリンター適用先拡大の展望

現状、金属3Dプリンターの利用シーンは、企業で大型の装置を導入し、高付加価値の製品を製造する場合が中心です。一方、試作から比較的少ない量産製造向けの装置は、動き始めたばかりと言えます。

熊佐氏は現状の金属3Dプリンター業界の動向について次のように述べます。
「現状、金属3Dプリンターは一般的に装置、粉体ともに機械加工と比べて高価で、費用対効果の説明が難しいと思われています。実際に造形レシピ確立においても、時間もコストもかかっています。このような背景から、最終製品としての適用は、金属3Dプリンターの特長を活かせる高付加価値部品に限定されます。当面は、航空宇宙業界など、軽量化、部品点数削減などによる高価値を訴求できる分野での活用が考えられています」

今現在、金属3Dプリンターが多く活用されている業界は、主に航空宇宙業界、医療業界と言われています。軽量化が求められる航空エンジン部品やインプラントなど、使用される範囲は広く、今後もその範囲は広がることが予想されています。ガスタービンプラントなどのエネルギー分野も活用が期待されている分野です。また、造形精度や速度は年々向上し、装置価格も徐々に下がっているので、今まで使用を検討していなかった分野でも、金属3Dプリンターの活用が検討されることも考えられます。

「実際、欧米のマーケットでは、航空宇宙業界、医療業界で活用が進んでいる一方で、自動車をはじめとした業界での適用は限定的になっています。また、多くの機械設計者には、金属AM(Additive Manufacturing)的な設計をなかなか受け入れられないところがあります。あと10年ぐらい経てば、装置コストも下がり、造形速度もさらに向上し、設計者のマインドも変わっていくことが想定されます。

このあたりが変わってくると、例えば車の量産部品段階で使われることなどが考えられます。在庫をなくし、部品をわざわざ取り寄せなくても、各地にLasermeister 101Aのような金属3Dプリンターを設置しておいて、必要な時に造形することが可能です。データさえ残っていれば、再び作ることができます。金型も必要なくなるので、金型が失われて作れなくなったり、保管やメンテナンスしたりするコストも不要となります。そんな夢みたいな世界も、金属3Dプリンターの普及で広がってくるのではないかと思います」(熊佐氏)


金属3Dプリンター装置開発の展望

最後に、金属3Dプリンター装置開発の展望についてはどのように考えているのでしょうか。

「工業製品にもサイズ感、材料はいろいろありますので、今後は粉体種類の充実、造形サイズの大型化をやっていく必要があります。造形サイズについてはφ150mm程度の寸法感から始め、徐々にスケールアップするやり方を取っていきます。
また、実際の量産部品に向けては、品質と生産性というのがキーファクターになってきます。ここをより改善するような機能を搭載するべく、開発を進めています。あと、材料にも広く対応できるようにしていきます。現在、量産利用にターゲットをおいて、お客様のご要望を聞きつつ、日々開発を進めている状況です」(鳴島氏)

「Lasermeister 101Aは国内でしか販売しておりません。一方、日本の金属3Dプリンター市場は世界市場と比べてわずかです。スケールアップしようと思うと、大半のシェアを占める欧米に進出することは不可欠です。進出するにあたり、例えば粉体も、航空宇宙業界で使われるものに対応する必要があります。また、海外安全規格に対応することも必要です。あと、工業製品の製造となると、生産性の観点はどうしても避けては通れません。これらお客様の声をフィードバックする形で装置を進化させていきます。ニコンの光加工機によって日本の製造業が盛り上がる。そのようなソリューションとして活用してもらえることを目指しています」(熊佐氏)

文/馬場吉成


参考情報
・Lasermeisterは、株式会社ニコンの登録商標です。


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