金属材料の積層造形の現状と今後の課題

著者：上海金型技術協会副会長イェ・リーユアン氏

積層造形技術の開発は30年以上続いていますが、これまでこの技術は主に製品の試作段階での試作品製造に使われてきたため、広く注目されることはありませんでした。しかし、過去 5 年間で、積層造形技術への注目が急速に高まっています。主な理由としては、次のようなことが挙げられます。

まず、製品設計のトレンドの変化により、積層造形技術の需要が高まっています。近年、製造業全体の世界的な過剰生産能力により、市場競争はますます激しくなっています。市場セグメントで競争上の優位性を獲得するために、製造企業は従来の「設計-製造-販売」モデルを変更し、「設計へのユーザー参加」と「製造サービス」の組み合わせを採用し始めています。競争の鍵は価格からユーザーの「総所有コスト（TCO）」に移っています。総所有コストを削減するために、軽量化、機能統合、カスタマイズなどの製品設計が普及しており、積層造形技術はそのような設計を実現するための最適なプロセスの 1 つとなっています。

第二に、テクノロジーの成熟度が増すにつれて、企業間での受け入れが拡大しました。 2018 年 10 月、GE は積層造形法を使用して製造された LEAP エンジン燃料ノズルの 30,000 個目の納入を祝いました。ほぼ同時期に、シーメンスは、SGT700ガスタービンの1つに積層造形で製造された燃料ノズルが、8,000時間以上故障することなく稼働したことも発表した。自動車業界では、BMWも2018年末に、i8ロードスターのルーフブラケットの量産がすべて積層造形技術に基づいて行われることを正式に発表しました。これらの典型的な事例は、積層造形技術の成熟度が大量生産レベルに達したことを十分に証明しています。

BMW i8 ロードスター用ルーフブラケット
第三に、コストの継続的な低下により、市場の需要がさらに活性化しました。ますます多くの材料サプライヤーが市場に参入するにつれて、競争はますます激しくなります。過去5年間で、金属積層造形で使用される材料の市場価格は平均で40％以上下落し、一部の鉄系材料の市場価格は70％以上下落しました。同時に、設備とプロセスの安定性の向上により、サービスプロバイダーは大量生産プロセスを開発し、材料と不活性ガスの無駄を減らし、設備の生産能力を最大限に活用することも可能になります。これらの要因の影響により、積層造形全体のコストも大幅に減少しています。コストの低下により、より多くの産業企業が付加製造の商業的価値を検討するようになり始めています。

付加製造技術には明らかな利点がある<br /> 文字通り、積層造形法のプロセスでは、さまざまな手段によって材料が層ごとに堆積されます。これは、従来の製造方法で最初にブランクを形成し、次に減算法によって材料を除去するプロセスとは異なります。このアプローチの最大の利点、そしてエンドユーザーの焦点は次のとおりです。

まず、デザインの自由度の解放を実現します。従来の技術の制限により、過去の製品設計ではパフォーマンスを犠牲にしたり、組み立ての複雑さを増したりしなければならないことがよくありました。積層造形の層ごとに積み重ねる方法を使用することで、非常に複雑な構造を一度に製造することができ、大きな可能性をもたらします。

2 番目に、オンデマンドのカスタマイズをサポートします。型開き後のバッチ製造という従来のモデルは、間違いなく依然として最もコスト効率の高い方法です。しかし、「多品種小ロット」の傾向がますます顕著になるにつれて、オンデマンドのカスタマイズをサポートできる金型を使用しない製造方法がますます魅力的になっています。代表的なケースとしては、非常に豪華なカスタマイズギフト、カスタマイズされたMINI車両の内装および外装トリム、さまざまなカスタマイズされた医療用インプラントなどがあります。オンデマンドカスタマイズ製品の典型である金型自体に関しては、積層造形が間違いなく非常に有利です。鋳造用の砂型やワックス型の作成から、射出成形やダイカスト金型用のコンフォーマル水路の製造まで、積層造形はその大きな商業的価値を証明しています。

3番目に、サプライチェーンの総コストを削減します。付加製造は、製品の製造および保守の方法を変えています。従来の製造方法では、アフターサービスニーズへの対応速度を向上させるために、サプライチェーン内の企業は膨大なスペアパーツの在庫を抱える必要があります。付加製造技術を使用すると、部品を迅速に修理または再製造できるため、製造会社はスペアパーツの納期を短縮し、在庫コストを削減できます。国際貿易保護主義が高まっている現在の環境において、一部の多国籍企業は、物理的な輸出入の物流コストや関税コストを回避するために、付加製造の活用を検討し始めています。

中国市場でのアプリケーション状況<br /> ガートナーの技術成熟曲線の定義によれば、中国における積層造形はバブルの底である第3段階を迎えていると私は考えています。現段階では、初期資本主導で多くの加工サービスメーカーが投資した生産能力は困難な発展過程にあり、ほとんどの注文が安定的かつ継続的な量産部品ではなく、まだ試作品であるという問題があります。これは、製造業界全体が金属積層造形に対してまだ様子見の姿勢にあることを示しています。この様子見の姿勢は理解できます。一方で、選択的レーザー溶融法（SLM）、電子ビーム溶融法（EBM）、レーザーニアネットシェーピング法（LENS）、ワイヤアーク積層造形法（WAAM）など、金属材料の既存の積層造形技術は、成形サイズ、材料、加工精度、加工効率、コストの面でそれぞれ限界があり、マルチジェットフュージョン（MJF）などの新しい技術も登場しています。一方、中国の製造企業の革新的な研究開発能力はまだ不十分であり、製品設計段階で突破口が開かなければ、積層造形技術の価値は発揮されないだろう。

技術成熟曲線もちろん、チャンスも育まれています。技術面では、新しい材料、新しい設備、新しいプロセスが絶えず登場しており、ビジネス面では、一部の大手設備・サービスメーカーが資本を通じてリソースを統合しています。この段階を経て、中国の付加製造アプリケーションは、特に航空宇宙および医療分野で、3〜5年以内に安定した成長の明るい時期に入ると予想されます。

金属積層造形技術の発展展望<br /> 金属材料の積層造形においては、材料、装置、プロセスが最終製品の品質に影響を与える 3 つの基本要素です。今後の技術開発はすべて、これらの基本要素を中心に展開されます。関連分野における研究開発の優先事項は次のとおりです。

まず、材料の多様化と既存材料の改良です。従来の金属材料のグレードが何千種類もあるのに対し、現在、金属積層造形に適した材料グレードは数十種類しかなく、これも積層造形の応用をある程度制限しています。近年の市場の注目が高まるにつれ、材料サプライヤーとソリューションプロバイダーは、近年の純銅材料やタングステン合金材料の開発など、新しい材料とターゲットプロセスの共同開発を開始しています。

さらに、既存の材料を改良することで、加工品質の向上やコスト削減にも役立ちます。たとえば、改良されたチタン合金材料は、熱間静水圧プレスへの依存を減らすことができます。従来の粉末冶金材料を使用した新しい添加剤プロセスが検証されれば、材料コストを10倍以上削減できると期待されています。

2つ目は、成形サイズの範囲が広いことです。既存の金属材料の付加製造プロセスは、すでに比較的広範囲の部品サイズをカバーできます。ただし、非常に小さい構造物や非常に大きい構造物に関しては、依然として大きな制限があります。小さな構造物を扱う場合、後続の処理が難しく、処理精度と表面品質に対する要求が高いため、ユーザーは積層造形技術を使用してプロセスを 1 回で完了することを望むことがよくあります。構造物が大きすぎる場合、構造物の熱変形が大きくなることが多く、合格率が大幅に低下します。この問題を解決するには、製品設計、材料、設備、プロセスなど、さまざまな角度から取り組む必要があります。

3 番目は、代替プロセスおよび/またはプロセス最適化です。デュアルレーザーSLMプロセスを例にとると、その処理効率は2017年に100cm3/hを超えましたが、この効率はまだ一部の産業企業のニーズを満たすことができません。装置メーカーがレーザーを4つに増やし、レーザー出力を向上させて粉末層の厚さを増やし、粉末の敷設速度を高速化するなど、さまざまな対策を講じた後、処理効率は理論上の限界に近づきました。処理効率をさらに向上させるために、マルチジェット融合（MJF）などの代替プロセスが人気のある選択肢の 1 つになります。

仮想シミュレーションに基づくプロセス最適化設計を含め、既存プロセスの最適化もこの段階の技術開発の重要なポイントの 1 つです。仮想シミュレーションソフトウェアを使用すると、エンジニアは製造前に配置方向を最適化し、サポート構造を合理的に設計し、さまざまなエネルギー源のスキャンパスを試すなどして、処理品質を向上させ、効率を高め、コストを削減できます。

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