世界的な視点: 現在確立されている金属 3D プリントの標準は何ですか?

金属積層造形が工業生産へと移行するにつれ、技術のあらゆる側面をカバーする国際標準の必要性がますます緊急になってきています。 Fraunhofer IFAM の Claus Aumund-Kopp 氏と Frank Petzoldt 氏は、国際標準の歴史を振り返り、既存の金属積層造形標準を要約し、将来直面する可能性のある課題について考察しました。

技術が発展し、使用される機会が増えるにつれて、業界ではその技術用語やプロセスの詳細について一定の合意に達する必要があります。現在、金属付加製造は産業化段階に入り、特に歯科産業と航空宇宙産業は商業規模の生産に入り、材料特性、試験手順などの点で標準の必要性が高まっています。標準化は主に、世界中のさまざまな標準化委員会への主要な関係者の参加を通じて達成されますが、これは非常に時間のかかる作業です。最終的には、これらの規格は技術の信頼性を示すものであるため、機械および粉末メーカーだけでなく、部品メーカーやエンドユーザーも恩恵を受けることになります。この記事では、これまでにさまざまな組織によって公開された AM 標準を一覧表示し (図 1 を参照)、AM の標準化がなぜそれほど重要なのかを指摘し、国際標準の必要性を強調します。

図1. 積層造形の国際標準化のタイムライン

現在の状況 付加製造は世界中の産業に変革をもたらしており、あらゆる業種の企業がこの技術がもたらす無数の画期的な機会を見出しています。もちろん、この技術はまだ多くの課題に直面するでしょう。従来の金属成形プロセスと比較して、製造プロセスパラメータと材料特性の間の重要な関係に特別な注意を払う必要があります。機械システムや生産条件が異なると特性も異なる場合があり、それを考慮する必要があります。さらに、材料特性は、プロセスウィンドウ内の一連のパラメータと組み合わされる金属粉末などの原材料とも密接に関連しています。これを踏まえて、パフォーマンスを検証し、堅牢で信頼性の高い生産プロセスを確立することが積層造形にとって重要であり、検査および検証ルールを備えた品質管理システムも必要です。関連する標準がないため、現在、最終部品の製造に付加製造技術を使用しているほとんどの企業は、独自の社内材料およびプロセスガイドラインを確立しています。したがって、プロセス知識を向上させ、共通の技術標準を開発することが重要です。今日のほとんどの CAD ツールでは積層造形技術が十分に活用されていないため、設計標準は積層造形の促進にも役立ちます。

標準の確立は、特に金属積層造形のような新しい製造プロセスの受け入れを増やすのに役立ちます。付加製造は国際標準を必要とするグローバルなプロセスです。標準化は、国、地域、国家間の技術的および経済的協力を促進するのに役立ちます。いくつかの国や地域ではすでに関連する基準の設定が始まっています。

国際標準化機構 (ISO) と米国材料試験協会 (ASTM International) という 2 つの国際機関が、世界中で積層造形に関する標準を準備、開発、発行しています (詳細については図を参照)。欧州標準化委員会 (CEN) も、積層造形に関する地域標準化委員会を設立しています。さらに、英国規格協会（BSI）やフランス規格協会（AFNOR/UN）など、一部の国や地域でも関連する標準化やガイドラインが導入されています。ドイツ標準化機構（DIN）も、ドイツ機械工学工業会（VDMA）やドイツ技術者協会（VDI）と協力して、積層造形に関する関連規格を発行しています。

ASTM委員会

• 2009年に設立
• 範囲: 積層造形に関する技術標準の開発、知識の促進、研究と技術の実装の促進
•メンバー：企業、大学、研究機関など、各界の代表者
• 一つの組織に一つの投票権
• 現在、23か国から400名以上の会員が参加

ISO技術委員会
• 2011年に設立
• 範囲: 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、および積層造形に関するさまざまな基本原則の標準化
• 会員はさまざまな国の標準化団体の代表者で構成され、各会員組織はさまざまな分野の専門家を指名することができます。
• 一つの組織に一つの投票権
•現在、参加国は20か国、オブザーバーは5か国です。

図2. 積層造形に関するさまざまな用語

表1. 既存の金属積層造形標準

2009 年、米国材料試験協会は付加製造技術委員会を設立しました。同年、ドイツとイギリスも関連委員会を設立した。国際標準化機構は2011年に技術委員会を設立し、両組織は2013年7月に共同の標準設定計画を策定した。

ヨーロッパでは 2012 年に始まったばかりです。たとえば、付加製造のための標準化支援アクション (SASAM) は、欧州連合が資金提供するフレームワークプログラムのプロジェクトです。このプロジェクトは、生産上の問題を標準化し解決するための活動を統合および調整することで、付加製造を進歩させることを目指しています。プロジェクト全体は 2014 年 4 月に完了し、関係者の要件を網羅し、積層造形標準化のロードマップとなりました。

2013 年 3 月、欧州電気標準化委員会 (CENELEC) と欧州標準化委員会 (CEN) は、積層造形に関する研究、サービスプロバイダー、および世界標準化組織に焦点を当てた積層造形用の STAIR-AM プラットフォームを設立しました。これは積層造形に特化したヨーロッパのネットワークであるため、積層造形プラットフォームと呼ばれています。議論は、積層造形分野の研究課題に取り組んでいる欧州諸国のネットワークである AM プラットフォームに基づいて継続されます。

2015年7月にCEN/TC 438委員会が設立されました。その主な目標と焦点は、積層造形 (AM) プロセス、生産チェーン (ハードウェアとソフトウェア)、テスト手順、環境問題、品質パラメータ、供給契約、およびいくつかの基本用語の適用を標準化することです。さまざまなプロジェクトの一貫性を確保し、国際標準に準拠するために、最初のタスクは EN ISO 標準を公開することです。

各ワーキンググループの作業は順調に進んでいます。しかし、さまざまな既存の標準を調整し、国際的に受け入れられる一連の付加製造標準を形成することは大きな課題です。これまでに、積層造形に関する以下の標準が公開されています。

材料試験の用語とデータ形式 表 1 は、AM 業界向けに公開されている標準の概要を示しています。この記事の目的は、既存の AM 業界標準の概要を簡潔に提供することです。各標準の簡単な概要を以下に示します。

用語集 付加製造技術には製造プロセスのあらゆる側面をカバーするさまざまな用語と略語があるため、用語は標準化プロセスの最初の項目でした。積層造形分野全体を指すより一般的な用語は 3D プリンティングであり、その広範な使用は、低価格の家庭用 3D プリンターの普及の影響を受けています。付加製造とは、実際には、エンドユーザーが直接使用できる部品の製造、およびより複雑な金属部品の製造プロセスを指します。

ISO/ASTM 52900:2015
この規格は、付加製造技術に使用される用語を確立し、定義します。付加製造技術とは、材料を連続的に追加することで物理的な 3 次元形状を構築する付加的構築の原理の応用を指します。既存の用語は特定の適用分野ごとにグループ化されており、IOS/TC 261 および ASTM F42 から生じる新しい用語は、国際規格概要の今後の改訂版に含まれる予定です。

ISO/ASTM 52921:2013
この規格には、積層造形技術の用語、用語の定義、用語の説明、座標系とテスト方法の命名法、積層造形プロセスで使用される用語を標準化するための略語が含まれています。その応用には、ユーザー、プロデューサー、研究者、教育者、メディア関係者、および積層造形の他の分野の人々が関与します。扱われる用語には、機械/システムとその座標系の定義、部品の位置と方向、ISO 841 規格との互換性のためのシステム全体の指定、および特定の状況でのこれらの用語の適用方法の明確化が含まれます。

ISO 17296-2:2015
この規格では、既存のプロセスカテゴリの概要を示し、後続の規格への飛躍的な進歩の原則を説明しながら、付加製造のプロセスの基礎について説明します。新しいテクノロジーが絶えず開発されているため、これらのプロセスカテゴリはすべてを網羅しているわけではありません。 ISO 17296-2:2015 では、さまざまなプロセスカテゴリと、さまざまな材料を使用して製品の幾何学的構造を作成する方法について説明しています。同時に、同じ材料を異なるプロセスに適用する方法についても説明します。異なるプロセスの組み合わせによって生産される一部の原材料と原材料およびその要求仕様は、後続の規格で別途規定されるため、この規格には含まれていません。

VDI3405
この規格は、付加製造プロセスのユーザーと製造者を対象としています。積層造形用コンポーネントの設計、製造、評価に関する考慮事項を網羅し、その適用範囲を定義します。この規格では、関連する製造プロセスの基本原則に焦点を当てて、用語と定義を詳細に規定しています。この規格には、関連する品質パラメータが含まれており、元のコンポーネントのテストと供給契約の確立に関する規則が詳細に規定されています。安全関連や環境関連の内容も含まれています。このガイドでは、読者がさまざまな AM プロセスについてある程度の知識を持っていることを前提としているため、説明は簡潔になっています。

データ形式 データ形式の標準化は、積層造形プロセスおよび関連ソフトウェアシステムのユーザーとプロデューサー向けに指定されています。これはあらゆる付加製造プロセスに適用できますが、特に以下の領域に適用できます。
積層造形システムおよびツール（ソフトウェアシステムを含む）の製造ソフトウェアエンジニアが関与するCAD/CAEシステムリバースエンジニアリングシステム開発者実際の形状と目的の形状の比較を必要とするテスト施設

ISO 17296-4:2014
ISO 規格 17296-4:2014 は、主として積層造形におけるデータ交換に適用されます。これは、積層造形プロセスにおける用語と定義を規定し、異なるプロセス間で幾何学的構造とコンポーネントを記述するデータを自由に変換できるようにして、積層造形がスムーズに進むようにします。データ交換方法では、ファイルの種類、データパッケージ形式、およびその用途がリストされます。 ISO 規格 17296-4:2014 は、データ交換に適用可能なデータ形式を指定し、積層造形における 3D ジオメトリの開発を紹介し、既存のデータ形式の概要を示し、国際規格のユーザー間でのデータ交換が正常に進められることを保証します。

ISO/ASTM 52915:2016
この規格は、現在および将来の積層造形技術のニーズに対応するために設計された交換形式である積層造形ファイル形式 (AMF) を規定しています。この仕様の要件が満たされると、AMF を構成、表示、送信できるようになります。構造化された電子形式で記述する場合、標準に準拠した相互運用性をサポートするには、拡張マークアップ言語 (XML) スキーマに厳密に準拠する必要があります。しかし、この国際規格の現在のバージョンでは、最終製品に関連するその他の情報がまだ十分にカバーされていないことが徐々に認識されつつあります。 ISO/ASTM 52915:2016 では、データの整合性、電子署名、暗号化のセキュリティを確保するための明示的なメカニズムは規定されていません。

図3 2種類の粉末の流動特性

図4 レーザー溶融サンプル
材料材料とその標準化は、積層造形法を使用して製造されるプロセスの信頼性と、製造される部品の信頼性にとって極めて重要です。金属粉末は原料として特別な取り扱いと加工が必要であり、粉末特性の偏差は加工部品の性能に大きな影響を与えます。図 3 に示すように、2 つの異なる粉末の異なる流動パターンは、積層造形に一定の影響を及ぼします。

ASTM F2924-14
この規格は、電子ビーム溶融やレーザー溶融などの完全溶融粉末溶融技術を使用した付加製造によって製造されるチタン-6アルミニウム-4バナジウム (Ti-6Al-4V) 部品に適用されます。クラス1、2、3部品の成分、原材料の分類、各部品の微細構造について紹介します。仕様では、部品の機械的特性、化学組成、最小引張特性も決定されます。

ASTM F3001-14
この規格は、電子ビーム溶融やレーザー溶融などの全溶融粉末溶融技術を使用して製造される、積層造形されたチタン-6アルミニウム-4バナジウム (Ti-6Al-4V) 部品の超低格子間要件に対応しています。この規格は、材料、選別情報、生産計画、原材料、加工、化学組成、微細構造、機械的特性、熱処理、熱間静水圧プレス、寸法と質量、許容差、二次試験、検査、廃棄物、製品ラベル、包装、品質プログラムの要件をカバーしています。

ASTM F3055-14a
この規格は、電子ビーム溶融やレーザー溶融などの完全溶融粉末溶融技術を使用した積層造形法によって製造された NS N07718 (2.4668-NiCr19NbMo) コンポーネントに適用されます。これらのプロセスを使用して製造された部品は、通常、機械加工された鍛造品や粗仕上げの製品と同様の機械的特性が求められる用途で使用されます。この仕様に従って製造された部品は、通常、機械加工、研磨、放電加工、研磨などが行われ、必要な表面仕上げと寸法が実現されます。

この規格は、付加製造によって製造される UNS N07718 コンポーネントの購入者または製造者を対象としています。コンポーネントの要件を指定し、コンポーネントのパフォーマンスを保証します。

ASTM F3056 - 14e1
ASTM F3056 - 14e1 は、電子ビームやレーザー溶融などの完全粉末床溶融プロセスを使用して積層製造された UNS N06625 (2.4856 - NiCr22Mo9Nb) コンポーネントを対象としています。これらのコンポーネントの機械的特性は、通常、機械加工鍛造品や圧延鍛造品と同様の特性が求められます。この仕様に従って製造されたコンポーネントは、通常 (ただし、必ずしもそうとは限りません)、機械加工、研削、放電加工 (EDM)、研磨などによって、必要な表面仕上げと重要な寸法を達成するために後処理されます。その目的は、積層製造された UNS N06625 コンポーネントを使用する購入者または製造者 (またはその両方) が、コンポーネントの特性を確保するための要件を定義できるようにすることです。

VDI 3405 パート 2.1:2015-07
この規格は、VDI 3405 パート 2 規格に基づいて編集されており、金属部品の電子ビーム溶融積層造形技術をカバーしています。また、1.2709 工具鋼 (マルエージング鋼) の材料データも含まれています。

この規格 (VDI 3405 パート 2.1) には、周期的試験によって得られたチタン合金 AlSi10Mg で作られた積層造形部品の材料特性データが含まれています。テスト手順と方法は、VDI 3405 パート 2 に記載されています。すべての手順と方法は業界で認められた標準に準拠しているため、従来の製造プロセスと特性値を比較することも可能です。

テスト テスト手順に関してはいくつかの規格が公開されています。さまざまな AM 部品を比較する場合、基本原理が重要です。図 4 は、レーザー溶融によって製造され、さらなるテストのためにセットアップされたプロトタイプを示しています。この用語に関するレポートでは、ISO/ASTM 52921:2013 規格について説明しています。

ASTM F2971 – 13
これは、積層造形法を使用して製造されたサンプルをテストまたは評価して生成された結果を報告するための標準的な手順を説明しています。この実践では、レポート要件のための追加データを確立することと、材料特性のデジタルライブラリの設計に情報を提供することという 2 つの目的で、AM サンプルからのデータを提示するための共通形式が提供されます。

この規格は、AM 方法と装置ごとに固有の変数があり、テストと評価に使用される試験片の準備、処理、後処理の標準的な説明を報告することが重要であるため制定されました。この規格の目的は、テストまたは評価される各試験片に関連する材料および処理履歴の一貫した文書化を保証することです。ファイルの詳細レベルはアプリケーションと一致します。

この実践では、次の目的で材料およびプロセスデータ報告の最小限のデータ要素要件を確立します。
• テストサンプルの説明とテストレポートを標準化する
• 設計者を支援するためにAM材料データベースを標準化する
• 試験と評価を通じて材料のトレーサビリティを向上させる
• AM サンプルのパフォーマンス関係の属性パラメータを取得し、予測モデルやその他の計算方法を可能にします。

ASTM F3049 – 14
この規格は、ジェット噴射、指向性エネルギー堆積、粉末床溶融結合などの粉末ベースの付加製造方法に役立つ特性を持つ金属粉末技術について読者に紹介し、原料粉末の説明や付加製造での使用後の金属粉末の取り扱いに適用できる可能性のあるその他の既存の規格を参照しています。

この記事の目的は、AM 粉末の購入者、サプライヤー、または製造業者に、AM 金属粉末の特性を説明できる既存の規格またはいくつかの既存の規格の参考資料を提供することです。

これは、金属 AM システムおよびコンポーネントのパフォーマンスにとって重要な個々の特性または特性カテゴリを文書化する、将来の一連の専用標準テスト方法の出発点となります。この規格は金属粉末に焦点を当てていますが、ここで取り上げる方法は非金属粉末にも適用できる可能性があります。

ASTM F3122 – 14
この規格は、付加製造された材料の特定の機械的特性を決定するのに適切である可能性のある既存の規格または既存の規格のバリエーションのガイドとして機能します。

いくつかの規格に記載されているように、報告される特性に影響を及ぼす可能性のある要因はいくつかあり、その中には、材料、材料の異方性、材料の準備方法、多孔性、サンプルの準備方法、テスト環境、サンプルの位置合わせとグリップ、テスト速度、テスト温度などがあります。これらの要因は、わかっている範囲で、プラクティス F2971 および参照される標準ガイドラインに従って文書化する必要があります。

「報告された特性に影響を及ぼす可能性のある要因はいくつかあり、その中には、材料、材料の異方性、材料の準備方法、多孔性、サンプルの準備方法、試験環境、サンプルの位置合わせとグリップ、試験速度、試験温度などがあります。」

ISO 規格 17296-3:2014 は、積層造形部品の試験の基本原則を規定しています。部品の主な品質特性、対応する試験手順を規定し、試験の範囲と内容、および供給契約に関する推奨事項を提供します。

ISO 17296-3:2014
これは、機械メーカー、原材料サプライヤー、ユーザー、部品サプライヤー、顧客の間で主要な品質特性の伝達を容易にすることを目的としており、積層造形が使用されるあらゆる場所に適用できます。

VDI 3405 パート 2
これは、さまざまな付加製造方法で使用されるさまざまな材料について説明し、付加技術を使用して製造された金属部品のテストを網羅する標準 VDI 3405 を補完します。

鋳造やフライス加工などの従来の製造方法と同様に、積層造形によって製造される金属部品には、特に密度、強度、硬度、表面品質、寸法精度、亀裂除去、構造の均一性など、いくつかの重要な品質特性があり、これらは積層造形部品に対して実行する必要がある典型的なテストです。大規模な工業生産においては、積層造形部品の品質が極めて重要です。そのため、積層造形プロセスを統一された基準に従って規制し、プロセステストを標準化する必要があります。

VDI 3405 パート3:2015-12

これまで述べてきたことに加えて、AM に関連する設計の分野でも、標準化活動がいくつか行われています。公開されている標準規格の 1 つに、レーザー焼結およびレーザービーム溶融部品の設計基準を規定する VDI 3405 Part 3:2015-12 があります。現在 ISO によって草案作成が進められている標準規格は、「積層造形のための設計ガイド」ですが、これは現時点では草案にすぎません。

概要 付加製造はイノベーションを刺激する技術であり、世界中で巨額の投資が行われ、AM は急速に成長しています。私たちはまだその多くの可能性を模索する初期段階にありますが、その潜在能力を最大限に引き出すためには、利用可能な知識を集め、互いに協力することが必要です。新しいビジネスモデル、高度な生産技術、新しいサービスが絶えず登場しています。ほぼすべての業界が程度の差こそあれ AM の影響を受けており、一方で他の製造方法も AM とともに発展していきます。

さらに、新しい製品の設計が可能になり、製品設計者は特定の製造方法に基づいて製品の特定の要件を定義します。材料特性や品質管理の問題などの要件を満たすには、適切な標準を製品開発プロセスに統合する必要があります。標準は技術開発の重要な部分です。さまざまな国内および国際組織が多数の AM 標準を発行しており、今後もさらに発行される予定です。

国際協力は間違いなく誰にとっても有益です。逆に、矛盾する標準は誰にとっても有益ではありません。したがって、普遍的な標準を開発することが私たちの共通の目標であるべきです。グローバル AM 標準ロードマップは方向性を示すことができます。プロセスを加速するために、たとえば、既存のものを AM 用に変更できます。現在、ASTM と ISO は正式に協力関係を確立し、最初の標準セットを正常にリリースしました。次のステップは、ISO/ASTM 標準を CEN 標準に変換することです。

より多くの専門家が ASTM、ISO、または国際規格を通じて努力を貢献することが不可欠です。

詳細は下記のウェブサイトをご覧ください。
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著者
フランク・ペッツォルト教授（工学博士）
副所長、工学博士。
クラウス・アウムンド・コップ
プロジェクトリーダー兼上級科学者
フラウンホーファーIFAM
出典: 3Dプリンティングワールド

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