3Dプリンター

ここでは金属加工法の一つである金属3Dプリンターを取り上げます。まず押さえてほしい基礎知識として、原理、使用される金属材料、特徴と課題や活用事例などを解説します。

金属3Dプリンターの造形方法には、主にパウダーベッド方式とパウダーデポジション方式があります。金属3Dプリンター造形は、一般的に装置、粉体ともに機械加工に比べ値段が高く、造形精度等で課題があり、最終製品への適用は航空宇宙業界などの軽量化、部品点数削減などによるメリットが生まれる高付加価値部品に留まるケースが多いと考えられています。本状況下にて、光学機械などを製造・販売する株式会社ニコンは得意とする光学設計などの技術を活用し、パウダーデポジション方式に分類される金属3Dプリンターを開発しました。今回は、金属3Dプリンターの造形方法を整理しつつ、同社が開発した3Dプリンターの特徴や開発コンセプトに加え、金属3Dプリンターの適用先拡大や装置開発の展望までお伺いしました。

粉末金属材料を敷いた床上にレーザーをあてて溶融凝固させながら造形(粉末床溶融結合法)する金属３Dプリンター。前編で解説した金属3Dプリンターによる造形プロセスの課題は、造形品質のばらつき以外にも、熱収縮による応力によって生じる反り変形があります。今回も引き続き、金属３Dプリンターの造形物の品質向上に向けた技術研究を行っている石川県工業試験場に、熱収縮による反り変形が生じる理由や「マルテンサイト変態」を利用した変形低減への取り組みについてお話を伺いました。

金属3Dプリンターでの造形技術は、金属加工では難しい複雑な形状の部品を強度はそのままに軽量化させたいといった用途に使われることが多いですが、機械加工と比べると品質にばらつきが生じやすいという課題があります。今回は、金属3Dプリンター造形物の品質向上に向けた研究を行っている石川県工業試験場に、金属3Dプリンターによる造形プロセスの課題や造形品質がばらつく理由を解説して頂いた後、同研究所で開発しているAI機械学習による造形品質のリアルタイム診断技術についてお話を伺いました。

2020年12月9～11日に、東京ビッグサイトで3Dプリンティング & アディティブ・マニュファクチャリング（AM、積層造形）技術の総合展「TCT Japan 2021」が開催されました。同展示会は3DプリンターをはじめとしたAM技術を有する35社・団体が出展し、最新のソリューションがわかるイベントです。今回は、光造形法など多様な造形手法を有する3Dプリンターの最新動向や、最適な3Dテクノロジーの組み合わせを提供するサービスなどをご紹介します。

日本のものづくりの根幹を担う産業の一つ、鋳造業。その鋳造に欠かせないのが「型」です。できあがり製品の模型を正確に製作し、その模型によって鋳型を造り、そこに溶かした金属を流し込んで鋳物を生成します。今回は、1946年創業以来、造船、自動車などあらゆる産業で使われている鋳造型を製作している高知機型工業株式会社に、他社と差別化できる鋳造型制作の技術とノウハウについて伺いました。

金沢大学設計製造技術研究所でのモノづくり研究開発動向を紹介する連載第4回では、引き続き古本達明教授に高精度化に向けた金属AM(金属3Dプリンター)の研究開発について伺います。同研究では、高速度カメラ用いて金属AM造形時のスパッタやヒュームの発生などを可視化することで、その発生要因を探っています。今回は、高速度カメラによる可視化の特徴をはじめ、造形と切削を交互に繰り返す技術を用いた水管の高精度金型加工の実例をご紹介します。

地域のモノづくり技術を活かし、新たなオープン・イノベーションを模索する金沢大学 設計製造技術研究所でのモノづくり研究開発動向を紹介している本連載。第3回は、金属AM(金属3Dプリンター)に注目し、金属AMによる金型製作の高精度化研究を行う金属AM研究班の古本達明教授に、金属AMの課題や高精度化に向けた研究アプローチについてお伺いしました。

電子顕微鏡や表面分析装置、金属3Dプリンター・・・先端的なものづくり現場で使用される装置ですが、共通するパーツは何だかご存知でしょうか？その答えは、電子源。電子線の放出源となる、なくてはならないパーツです。今回は、電子源の中でも世界に数社しかないといわれる金属単結晶を使用した電子源を製造し、米国オレゴン州に拠点を置くApplied Physics Technologies, Inc.（APTech）の製品とその技術力について迫ります。

３Dプリンターは、自由自在な形状が実現できることや、従来の工法では複数の部品を組み合わせる必要があったパーツを一体で造形できるなど、さまざまな利点があります。一方で工法として造形物のサイズ制約や造形時間・コストなどの課題が存在し、「限界」もあります。１０回にわたって連載してきた「樹脂３Dプリンター入門講座」、最終回では３Dプリンターの「限界」とそれを乗り越えようとする3つの取り組みについてご紹介します。

産業の空洞化だけでなく、地域医療の存続も課題となっています。高度な技術を要する外科手術では、構造が複雑かつ独特な質感の臓器を扱うため、経験に頼る部分が大きいものでした。こうした経験不足を埋め若手医師や研修医の技術を高めるため、地場の中小企業2社と地域医療機関が手を組み、安価、かつ精巧な臓器模型を製作する取り組みが始まっています。今回は、引き続き伊那市で進められている共同開発プロジェクトについてご紹介します。

3Dプリンターの世界では装置だけでなく、3Dプリンターで使う材料も日々、進化を続けています。装置により使われる材料のバリエーションは異なりますが、廉価な装置でも使用可能な材料が増えているだけなく、造形の難しさを解消する新材料も開発されています。今回は、FDM（熱溶解積層）と粉末焼結積層造形における3Dプリンター向け新材料について、様々な材料メーカーの開発動向をご紹介していきます。

試作といえば、真先に3Dプリンターを思い浮かべる人が多いのではないでしょうか。今やモノを作る過程で欠かせない3Dプリンターですが、3Dプリンター以外の加工方法は非常に多岐にわたり、自分の試作に最適な方法を選択する必要があります。今回は、３Dプリンターのメリットデメリットを解説しながら、CAEや切削加工、成形加工など試作でよく使われる加工方法についてご紹介します。

3Dプリンターで樹脂造形品を作る時、どのような材料を選べばよいのでしょうか。材料の選定は3Dプリンターの機種で決まる部分もありますが、各材料の特徴や用途を知っておけば、作る目的に最適な材料を選ぶことができます。今回は、PLA、ABS樹脂等の汎用プラスチックやPC、ポリアミド(ナイロン樹脂)のエンジニアリングプラスチックなどの材料の特徴と用途についてご紹介します。

これまでの連載では、３Dプリンターの代表的な造形手法を紹介してきましたが、その他にも、汎用的な３Dプリンターとしては一般的ではないものの、特徴のある造形手法があります。今回は、シート積層法、DLS、ペレット溶解積層方式、SHSといった4つの造形手法に注目し、概要や特徴、利点など他の手法と比較しながら解説していきます。

製品のアイデアを具体化して世に出すためには、製品開発を通じて企画から設計・試作、量産化までのフローが行われます。本連載は、知ってるようで知らなかった、実際の製品の量産試作についての基礎知識を解説します。今回は、製品企画から量産試作までの全体的な進め方に注目して、注意すべき製品の仕様と「デザインの肝」の理解、3段階の試作工程について解説します。

FDM(熱溶解積層)、光造形(SLA、DLP)、粉末焼結積層造形など、樹脂3Dプリンターの主な造形手法では、単色（1色）の造形物が得られます。しかし、一つのパーツでも面ごとに色を変えたり、マーブル模様といった出力ができる機種も存在し、試作の時点でカラーの検討が可能になるだけでなく3Dプリンターのボクセルデータ対応と合わさることで、用途が拡大しています。今回は、フルカラーの造形物が作れる3Dプリンターについて紹介します。

一部の3Dプリンターでは使用される素材から排出される物質に対し、安全性を懸念する声もあります。しかし近年、その安全性を考慮した3Dプリンターが登場したことをご存知でしょうか？今回は、安全性や後処理の簡素化、更にはセキュリティ面などの「これまでの3Dプリンターの課題を解決する」と謳う３Dプリンターを製造している米ボストンのメーカー、RIZE（ライズ）CEOのAndy Kalambi氏にその特徴とSmart Spacesコンセプトについてお話を伺いました。

3Dプリンターの造形手法「粉末焼結積層造形」は、他の造形手法とは異なりサポート材が不要であり、さらに強度と耐久性に優れるという特徴を持ちます。本手法は、金属造形で良く知られていますが、樹脂造形の方が先に誕生しています。今回は、樹脂の粉末焼結積層造形法に注目し、そのなかでも選択的レーザー焼結法(SLS)の開発経緯や造形原理についてご紹介します。

3Dプリンターの4つの主な造形手法の中で、最も古く開発されたといわれている光造形法(SLA、DLP)。光造形法3Dプリンターは、スピーディになめらかな面を作ることができる特徴を持ち、試作向け造形機として用いられてきました。今回は、その光造形法3Dプリンター開発の歴史に加え、各々の光造形法の原理について詳しく解説していきます。