金属3Dプリンターの基礎知識～造形原理や原料からメリット・デメリットまでを簡単紹介～

金属加工法の一つとして近年注目が集まる「金属3Dプリンター（金属積層造形）」を取り上げます。最近では、Additive manufacturing, AM（付加製造）とも呼ばれています。
3Dプリンターは、2010年前後より急激に注目を集めており、デスクトップの個人用から高度技術を集積した産業用まで多様な機種が開発されています。
3Dプリンターの特徴は、図面なしに、形状を示すデジタルデータから複雑な形状の部品を直接造形出来ることです。また、原料の多くは樹脂材料ですが、金属材料を用いた3Dプリンターの活用も盛んになっています。
形状の自由度の幅が広いことや、従来の金属加工方法に比べ製作にかかる工数が少ないことが魅力となり、試作時に検討される方も多いのではないでしょうか。

金属用3Dプリンターについて、まず押さえてほしい基礎知識として、金属3Dプリンターの原理や、使用される金属材料、特長と課題や活用事例などを解説していきます。

金属3Dプリンターとは、敷き詰められた金属粉末にレーザーや電子ビームを照射したり、液体結合剤を噴射するなどして金属粉末を固めることで、パソコンで制作した3DのCADモデルの形に造形を行う機械のことです。
最近では多くの造形方式が登場しており、その中から代表的なものをご紹介します。

まずは、金属3Dプリンターの概要について押さえていきましょう。ここでは、代表的な方式と使用される金属材料について紹介します。

＜表1＞に金属3Dプリンターの代表的な方式を示します。金属3Dプリンターは種々の方法が開発されていますが、以下6つの方式に分かれます。

金属粉末を敷き詰め、熱源となるレーザーや電子ビームで造形する部分を溶融・凝固させる方法です。金属粉末を敷き詰め、溶融・凝固を繰り返すことで造形します。造形終了後には、固化していない粉末を取り除いて造形物を取り出す必要があります。
パウダーベッド方式には、以下の(1)レーザービーム熱源方式と(2)電子ビーム熱源方式があります。

溶融した金属材料を所定の場所に積層・凝固させて造形する方法です。金属粉末を材料とする(1)レーザービーム熱源方式と、合金ワイヤーを材料とする(2)アーク放電方式があります。
パウダーベッド方式に比べ、高速造形が可能ですが形状精度は低いです。また、パウダーベッド方式と異なり、造形終了後にパウダーの除去作業は不要です。金型などの金属材料へ追加工（肉盛り）もできます。

FDM方式は、金属粉末に熱可塑性の結合樹脂剤（バインダー）を混合した材料を積層することで造形を行う、樹脂材料の3Dプリンターと同様の造形方式です。造形後に脱脂と焼結を行うことで部品製造を行います。最近では脱脂が不要な材料や機材も登場しています。

バインダージェット方式は、金属粉末に液体の結合剤（バインダー）を噴射することで固めて造形を行う造形方式です。結合剤を材料に含めるのではなく噴射することがFDM等の方式との違いです。造形速度が比較的に早く、サポート材が不要であることなどが特徴です。

超音速堆積法は、金属粉末を超音速に加速し噴射することで、金属粒子を結合させる造形方式です。熱源が不要で造形速度が速いことが特徴です。

液体金属堆積法は、サブミクロンレベルの金属粒子を噴射することで造形を行う、インクジェット式の樹脂3Dプリンターのような造形方式です。精密さだけでなく、歪みが発生しづらいことも特徴です。

＜表2＞に金属3Dプリンターに使用される粉末金属材料を示します。プリンターメーカによってはこの表より、さらに多くの材料に対応する機種もあり、逆に対応できない機種もあるので、プリンター導入の際はメーカへの確認が必要となります。

各金属材料の特性については、他の記事でも解説していますので、そちらも合わせてご参考ください。

ここまでは、金属3Dプリンターの概要について簡単に紹介しました。次は、造形方法についてもう少し具体的に解説していきましょう。

ここでは例としてレーザー溶融法（SLM）を採用している金属3Dプリンターの原理と構造を説明します。
＜表3＞に金属3Dプリンターの代表的な仕様を示します。装置は日々開発され、それに伴い仕様は次々に変化するので参考として下さい。

＜図1＞に材料の金属粉供給時とレーザー照射時の3Dプリンターの構造を示します。

左から材料バケット・造形ステージ・余剰分バケットが配置されています。
材料バケットには上に移動する供給エレベータ上に金属粉末が貯蔵されています。
供給エレベータは1サイクルに数10ミクロン上昇し、コーターはもち上った金属粉を掻き取り右に移動させ造形ステージに供給します。
造形ステージのエレベータは一回の造形厚さ分だけ低下し、そのスペースにコーターによって金属粉が供給され、敷き詰められます。余った金属粉は余剰ボックスに落下・溜められ、再利用されます。

金属表面へのレーザー照射に当たっては、
①コンピュータでSTLベースの3DCADデータを層ごとにスライスして、各層の照射形状を決めておき、
②層ごとの形状データに基づき、レーザーは金属粉表面上に2次元的に高速位置決めされ、表面を照射・溶融・固化させます。

レーザー溶融法（SLM）では、現状400ワットほどの高出力レーザーが使用されています。

それでは次に、具体的に＜図2＞(3)のような、器状の目的形状を作成する場合の手順を解説します。

＜図2＞の(1）において、
まず、造形品の土台となる造形ベースをエレベータの上部の板にねじで固定しておきます。

①1層目は器の底部分を造形します。ベース上に敷き詰められた金属粉にレーザーが器の底形状の円形に照射し、金属粉が溶融・固化されます。
②1層目が完了するとエレベータは1層分の厚さ（積層ピッチ分）だけ降下し、そこに新たな金属層が敷き詰められます。
③2層目からは器の側面部分を造形します。円輪状にレーザーが照射され、金属粉が溶融・固化されます。
④②、③を繰り返し器の形が造形されます。このとき、レーザーの照射されない部分の金属粉は固化していないので、器造形物は金属粉に埋もれた状態となります。

⑤造形ベースをプリンターから下ろします。＜図2＞（４）このとき、レーザーで照射されていない部分の金属粉は固化していないので、造形物は金属粉に埋もれています。

⑥刷毛などで金属粉を丁寧に除去したます。＜図2＞（５）

⑦造形された器を、コンター（電動帯のこぎり）などで造形ベースから切り離し、造形の完了となります＜図2＞（６）

3Dプリンター加工による造形は積層造形であるため、造形物の表面は細かい段差のある形状となります。そのため、１層の厚さを薄くすればするほど、表面段差は小さくなりますが、積層回数が増え、造形時間が増えてしまうため、造形時には注意が必要となります。

ここまで、金属3Dプリンターの概要と造形の流れを簡単に解説してきました。
金属3Dプリンターには数々の利点があり、機械の設計思想・生産思想にイノベーションを起こす可能性がありますが、必ずしも万能ではありません。金属3Dプリンターの特長と課題について以下にまとめました。＜表4＞＜表5＞

3D金属プリンターは従来の加工では不可能であった形状も造形できることから、機械設計の自由度が高く、性能向上や軽量化が特に強く求められる航空機部品製作に利用され、大きな成果を上げています。
また、金型製作への適用も期待されており、3Dプリンターと加工機を組み合わせた複合加工機が開発されています。原理的にはレーザー照射と高速切削仕上げのサイクルを繰り返して、造形する方式です。


金属3Dプリンターが活用されている主な部品
航空機部品：航空機エンジンカバー用ヒンジ、航空機エンジンの燃料ノズル、航空機エンジンのタービンのブレード　等
金型：深リブ加工を用いる金型、冷却水管　等

ここでは、まず押さえてほしい金属3Dプリンターの基礎知識について解説しました。他の記事では、金属3Dプリンターを用いて造形する際の流れとサポート材の配置の工夫や、実際に提供されている金属3Dプリンターサービスについても紹介しています。ぜひ、そちらも合わせてご参考ください。

既に述べたように、3Dプリンター技術は積層造形であり、形状データがあれば、複雑な形状の部品も型や刃物を用いず、図面もなしに欲しい形状を得ることができます。
また、従来の加工技術では不可能な形状、たとえば複雑な中空形状も比較的容易に形成できます。従来の加工技術と3Dプリンターによる付加加工を巧みに組み合わせることで、更なる価値の増大が期待されており、つい高精度な造形にも期待してしまいたくなりますが、積層造形という原理的に、切削加工と同等の高精度な造形はできないことについても理解しておくことが重要です。メリット・デメリットを正しく理解して、部品製作の目的に沿った活用を検討しましょう。検討の際には、できるだけ専門家の方へ相談することをおすすめします。



※2022年1月20日：加筆修正し再アップ
※2017年12月1日：初回公開