積層造形標準の詳細

出典：栄栄軍民

近年、航空宇宙、医療、金型などの分野での積層造形の応用需要が爆発的に増加し、構造の軽量化、性能の最適化、パーソナライズされたカスタマイズなどの利点がますます顕著になっています。しかし、新興技術として、その製品がエンジニアリングに応用できるかどうか、産業の規模を拡大できるかどうかは、主に製品の品質がユーザーの要件を満たすことができるかどうか、製品の応用分野の全体的な総合的なメリット（経済性、性能、その他多くの側面を含む）を向上できるかどうかにかかっています。したがって、製品の品質を確保し、応用分野の経済的利益を向上させ、業界の持続可能で健全な発展を導き、規制するためには、体系的で全プロセスにわたる標準化された基準が必要です。

標準の欠如は、積層造形のエンジニアリング応用と産業発展において常に主な問題となってきました。本日は、積層造形に関するすべての標準について詳細な解釈と説明をいたします。

【注：本稿では主に欧米先進国における標準化の進捗状況を紹介する】

2002年に、最初の積層造形技術規格AMS 4999が発行されました。2011年にAMS 4999Aに改訂され、規格名が「Ti6Al4Vチタン合金直接堆積部品-焼鈍状態」に変更されました。

2015 年 7 月、SAE は、積層造形に関連する航空宇宙材料およびプロセス仕様標準と関連技術レポートを開発および維持するために、AMS-AM 技術委員会を設立しました。 2015 年 10 月、連邦航空局 (FAA) は、重要な航空宇宙用途の特別な認証要件に対応して AM 材料認証ガイドラインを開発する FAA を支援するために、SAE に付加製造技術標準の開発を委託しました。 AMS-AM の主な目的は次のとおりです。

原材料および完成品の調達のための航空宇宙材料仕様（AMS）を開発する。
航空宇宙製品の製造プロセスに関する推奨される実践、仕様、標準を開発する。
MMPDS、CMH-17、NADCAP、ASTM F42 と連携して、業界における標準の採用を促進します。
統計的に有意な材料性能データを取得するために、プロセス制御とトレーサビリティを確保するための標準（技術文書）システムを確立します。
標準_AMS-AM

これまでに、SAE は、レーザーおよび電子ビーム粉末床溶融結合、プラズマアークヒューズ、レーザーヒューズ、レーザー直接堆積、材料溶融押し出しプロセス、IN625 (GH3625)、IN718 (GH4169)、17-4PH (0Cr17Ni4Cu4Nb)、ハステロイ X (GH3536)、ヘインズ 230 (GH3230)、Ti6242 (TA19)、Ti6Al4V (TC4)、AlSi10Mg (ZL104)、ULTEM 9085、ULTEM1010 などの材料を網羅する 30 の規格を発行および開発しています。

ASTM は 2009 年に、積層造形技術委員会の最も初期の標準化協会組織である ASTM F42 を設立しました。

その主な目的は、積層造形材料、製品、システム、サービスの分野における特性と性能の標準、試験方法、手順の標準を開発し、積層造形技術の推進と産業の発展を促進することです。

現在、委員会は 20 か国以上から集まった 400 名以上の技術専門家で構成されており、その作業は他の ASTM 技術委員会や、相互または関連する利益を持つ国内外の組織と連携して行われています。 2012年にASTM F42はF2792-12a付加製造用語規格を発表し、2015年にはISOと協力して規格を改訂し、付加製造技術の推進と産業発展における用語と定義を標準化する初のISO/ASTM共同規格を発表しました。

ASTM F42 は、F42.01 試験方法、F42.04 設計、F42.05 材料とプロセス、F42.06 環境、健康、安全、F42.07 応用分野 (航空、航空宇宙、医療、重機、航行、電子機器、建設、石油とガス、消費者製品を含む)、F42.91 用語を含む 6 つの専門技術委員会を設立しており、協会の運営と ISO/TC 261 との協力のために F42.90 執行委員会と F42.95 技術調整グループが設立されました。

ASTM F42 は、ASTM の内部技術委員会 (ASTM B09 金属粉末および製品技術委員会、ASTM E07 非破壊検査技術委員会、ASTM F04 医療および整形外科用材料および機器技術委員会など) と連携して積層造形標準を共同で開発し、完全な積層造形標準システムを形成する役割も担っています。

現在までに、ASTM F42 は合計 50 の規格を発行し、開発中です。ASTM E07 は、「航空宇宙用金属付加製造部品の非破壊検査に関するガイドライン」と「航空宇宙用金属付加製造部品の成形中のオンライン監視に関するガイドライン」の 2 つの規格を開発中です。ASTM F04 は、「粉末床溶融結合法で製造された医療製品における付加製造残留物の除去評価に関するガイドライン」を開発中です。

国際標準化機構 (ISO) は、積層造形を標準化するために 2011 年に ISO/TC 261 を設立しました。その業務範囲は、積層造形 (AM) の分野における標準化作業の実行であり、関連するプロセス、用語と定義、プロセスチェーン (ハードウェアとソフトウェア)、テスト手順、品質パラメータ、供給契約、およびすべての基本的な共通技術を網羅しています。 ISO/TC 261 が設立された年に、ASTM F42 と協力協定を締結し、積層造形技術分野の標準化作業を共同で実施しました。 2013 年、ISO/TC 261 と ASTM F42 は共同で「積層造形標準の開発に関する共同計画」を発表しました。この計画には、双方が開始したプロジェクト間の一貫性を実現するための AM 標準の共通構造/階層が含まれています。付加製造標準開発プログラムは、生きた文書とみなされており、ISO/TC 261 および ASTM F42 によって定期的にレビューおよび更新されます。 2016年に構造が再度改訂されました。

「積層造形標準の開発に関する共同イニシアチブ」に基づき、ISO/TC 261 と ASTM F42 は、潜在的な共同 AM 標準の開発の優先度の高い候補リストを次のように特定しました。

資格と認証方法
デザインガイド
原材料特性の試験方法
AM部品の機械的特性試験方法
材料回収（リサイクル）ガイドライン
ラウンドロビンテストの標準プロトコル
標準試験片
AM部品の調達要件

プロジェクトが決定された後、ISO と ASTM は両者の間で合意に達し、共同作業グループと共同運営グループの設立、共同作業グループ会議の開催方法、規格準備プロセスの要件、規格のレビューと投票の手順、規格のテキスト構造、既存および後続の規格プロジェクトの完了方法など、ISO/TC 261 と ASTM F42 が実際にどのように協力し、連携していくかについての具体的な手順を決定しました。これらの側面により、世界規模での積層造形標準の策定の科学性、合理性、効率性が大幅に向上し、世界的な積層造形標準システムの改善が促進されました。

現在、ISO TC261とASTM F42は40以上の規格をまとめており、積層造形の材料やプロセス、試験方法、設計、安全保護など多くの面で標準化作業を実施し、積層造形の標準システムをさらに改善しており、積層造形の標準化において重要な役割と意義を果たしています。

マーシャル航空宇宙センターは、航空宇宙分野における積層造形製品の応用と品質安定性に関する NASA の要件に応えて、MSFC-STD-3716 および MSFC-SPEC-3717 を開発し、リリースしました。

MSFC-SPEC-3716は、金属レーザー粉末床融合積層造形航空宇宙製品の標準です。積層造形プロセス制御の基本要件と開発および生産における主要な管理ポイントを規定しています（図を参照）。

MSFC-STD-3716 を通じて、NASA は次のことを達成しました。

L-PBF テクノロジーの現状に関連するリスクを管理するための基本およびコンポーネント生産プロセス制御の定義。
各 L-PBF コンポーネントのリスクと制御のコンプライアンスを評価するために、CEO および当局に製品適合認証を提供します。

MSFC-SPEC-3717 金属レーザー粉末床溶融積層造形法の冶金プロセス制御および認定仕様は、L-PBF における基本的なプロセス制御の手順要件を定義するために使用されます。これには以下が含まれます。

L-PBF 冶金プロセスの定義と認定要件。
機器および施設の保守、校正および認証の要件。
オペレーターのトレーニング要件。

NASA は AM を材料製品の独特な形態とみなしており、AM で製造された製品の品質安定性とトレーサビリティを確保するために、各 AM デバイスで冶金プロセスの識別を実行することを義務付けています。

ドイツは、積層造形技術と装置の研究において常に世界の最前線に立ってきました。ドイツ航空宇宙標準化協会 (DIN) とドイツ技術者協会 (VDI) は、積層造形技術の開発と応用に関する対応する標準を策定しました。

— VDI は現在、用語の定義、材料の識別、品質管理、設計基準、運用上の安全性、材料データシートなどの側面をカバーする 20 の標準を公開または開発中です。 DIN は歴史ある航空宇宙標準化団体であり、ISO TC 261 の事務局は DIN にあります。

— DINは、国際標準化機構と欧州標準化機構の関連規格の策定に積極的に参加しているほか、ドイツ独自の技術とアプリケーション開発のニーズに基づいて、レーザー粉末床溶融積層造形装置の受け入れ、オペレータ識別、粉末材料、部品試験、成形技術仕様の規格も策定しています。現在、成形品の機械的特性、非燃焼圧力容器、アーク指向性エネルギー堆積、金属材料の使用ガイドラインなどの規格を策定しており、現在10以上の規格が発行または策定中です。

ASME Y14.46-2017（試行）は、アメリカ機械学会が積層造形技術の特性を踏まえて発行した積層造形製品の定義に関する試行規格です。この規格では、積層造形技術特有の用語や特徴定義を規定し、製品定義データセットや関連文書における統一仕様を推奨しています。この規格は、主に積層造形製品の幾何学的特徴の定義、格子構造、勾配構造、複雑な幾何学的構造などの設計特徴の定義、部品の位置と方向、層の厚さ、走査経路、支持構造、炉試料などのプロセス特徴の定義、および製品データパッケージの仕様を規定しています。この規格は、積層造形部品の設計、製造、品質管理に関連する詳細を特徴付けるために使用できます。

DNV GLは、Det Norske Veritas（DNV）とGermanischer Lloyd（GL）の合併により設立されたグループ会社であり、現在では世界有数の船級協会の一つです。海事分野における積層造形の使用に対応して、DNV GLは2017年に積層造形材料および部品の識別および認証規格を発表し、体系的な識別および認証方法を通じて積層造形材料、製品、部品の承認および認証の基本的な枠組みを提供し、船舶開発および生産における積層造形の応用を促進および標準化しました。 2018 年、DNV GL は、積層造形メーカーの承認要求、文書要件、承認範囲と制限、承認テスト、品質管理、プロセス検証の要件を規定する積層造形メーカー承認手順標準を発表しました。

PRI は、1990 年に非営利の業界団体として設立されて以来、監査管理、業界管理プログラムの推進、特殊プロセス認証プログラムの管理などに関する世界的権威となっています。 Nadcad 特殊プロセス認証プロジェクトは、PRI が航空宇宙分野で推進している重要な監査タスクの 1 つです。 PRIは、航空宇宙分野における金属粉末床融合積層造形技術の開発と応用に対応して、2017年にレーザーおよび電子ビーム金属粉末床積層造形監査ガイドラインを発表しました。業界と政府の技術専門家が共同で確立した認証要件を通じて、サプライヤーは監査および認証され、航空宇宙業界における品質保証の標準化された方法を提供し、繰り返しの監査を削減します。
UL は Underwriter Laboratories Inc. の略称です。 UL安全試験研究所は、米国で最も権威があり、世界最大の安全性試験および評価を行っている民間組織です。主に製品安全認証および事業安全認証業務に従事し、市場に相当レベルの安全性を備えた製品を提供し、個人の健康と財産の安全を確保しています。 ULは、積層造形工学の応用の深化と消費財市場の拡大に対応して、2015年に3Dプリンティングおよび積層造形装置適合監査ガイドを発表しました。この文書は、メーカーが積層造形装置（3Dプリンターを含む）に関する安全基準や関連規制を決定するのに役立つガイドです。 ULは、2017年と2019年に、それぞれ積層造形施設の安全管理監査と3Dプリンターからの粒子状物質と化学物質の排出の試験および評価方法の規格を発表し、積層造形生産の安全性とユーザーの健康と安全を確保するためのガイダンスを提供しました。

米国国防総省は、2011年に早くも国防分析研究所の研究結果に基づき、積層造形技術を米軍の重要技術と位置付けました。当時の積層造形の技術的成熟度に基づき、米国空軍研究所が主導して「米国国防総省積層造形技術ロードマップ」を発表しました（図参照）。ロードマップによれば、米国の軍事装備における積層造形技術の最近の応用は、装備のサポート、関連部品や工具の再製造、装備のメンテナンスの実施に集中している。

米国陸軍研究開発技術司令部（RDECOM）は、積層造形技術の開発と応用に対応して、機器の応用に関する分析と研究を実施し、積層造形アプリケーションのロードマップを策定しました。ロードマップでは、設備分野における積層造形の応用には、迅速な処理と取り扱い、代替/置き換え（従来の製造プロセスの置き換え）、革新的設計（積層造形に基づく設計）という3つの主要段階があり、最終的には部品の置き換え、プロセスの置き換え、製品の置き換えが達成されると指摘しています。

軍事分野における積層造形の応用の第一段階は、主に装備のサポート、成形製造、保守能力に重点を置いていることがわかります。これを踏まえ、米国国防総省は2013年に「再生、修理、塗装および再塗装のための金属直接堆積（DDM）の技術仕様」を発行し、2014年に初めて改訂しました。この規格は、材料プロセスの研究開発および検証プロセス、部品修理プロセスの研究開発プロセス、部品修理プロセスの検証プロセスの 3 つの規範プロセスを規定し、設備サポート分野における積層造形の応用の基礎を築きます。

2015 年 4 月、Microsoft、HP、Shapeways、Autodesk、Dassault Systemes、Netfabb、SLM Solutions の 7 社が 3MF Alliance を設立し、設計から 3D プリントまでの多くのリンクを接続し、プロセス中の情報データの損失を回避するために、積層造形設計プロセス全体で使用できる専用の統合ファイル形式の推進を開始しました。現在普及している 3D 印刷ファイル形式である STL および OBJ と比較すると、3MF 形式には、1 つのファイルでより多くの情報を提供できる、スケーラブルである、変換やオブジェクト参照をサポートしているなどの明らかな利点があります。 2015 年 7 月 1 日には、3D Systems、Stratasys、Materialise、Siemens PLM Software も 3MF Alliance に加盟し、共同で標準を開発および公開しました。現在、3MFは、積層造形専用のファイル形式を標準化するために、3Dプリントフォーマット、材料と特性、格子構造、スライス、製品拡張の5つの標準をリリースしています。
また、NIST、IEEE、IPC、AMMI、ABNTなどの海外機関も、積層造形の特徴を踏まえ、計測、試験、プリント基板、民生用3Dプリンティング、医療などの分野で研究や規格策定を行っていますが、ここでは詳細には触れません。

出典：栄栄軍民