金属 3D プリント: レーザー溶融とジェット噴射の利点と限界

金属 3D プリンティングは、研究室レベルのアプリケーションから工場レベルの生産アプリケーションへと移行しています。金属 3D プリントのさまざまな技術の間にも、ある程度の競争があります。今号では、3Dサイエンスバレーとその仲間たちが、現在脚光を浴びている粉末床金属溶解技術と、投資家の間で人気のバインダージェッティング金属3Dプリント技術の特徴と限界について考察します。

▲画像: レニショーのコンフォーマル冷却モールド<br /> 正面からの競争か、それとも不一致な競争か<br /> 他の直接金属 3D 印刷技術と比較して、金属粉末ベッド融合 (PBF) は現在最も広く使用されている金属 3D 印刷技術です。昨年、ゼネラル・エレクトリックはコンセプト・レーザーとアーカムを買収するために14億ドルを投資し、金属粉末床溶融結合に対する市場の注目をさらに高めました。 PBF は直接金属 3D 印刷技術と考えられており、レーザー溶融と電子ビーム溶融の 2 つの処理方法が含まれます。現在はレーザー溶融の方が広く使用されています。この分野では、GEが買収したConcept LaserやArcam、ドイツのEOS、ドイツのSLM Solutions、英国のRenishawなど既存の金属3Dプリントソリューションプロバイダー、さらにPolylite、北京龍源、Yijia 3D、Xinjingheなどの国内企業、さらにドイツのTRUMPFやDMG Mori Seikiなど伝統的な工作機械メーカーもPBF分野に参入するなど、多くのブランドが活躍しています。

しかし、投資市場の観点から見ると、高速、大量、低コストなどの要因により、間接金属3Dプリントと一般的に考えられている別のタイプの金属3Dプリントに多額の投資資金が注ぎ込まれています。間接金属 3D 印刷技術は、その名の通り、金属 3D 印刷プロセスで得られた金属部品は最終部品ではなく、金属部品内の化学物質を除去して高密度の金属部品を得るために高温炉で熱処理プロセスを必要とすることを意味します。もちろん、現在の間接金属3Dプリント技術にはさまざまな技術が含まれています。3D Science Valleyの市場調査によると、1つのカテゴリは、Exone、Desktop Metal、3DEO、Markforgedに代表されるバインダージェッティング技術です。もう1つのカテゴリは、Xjetに代表されるナノ粒子ジェッティング技術です。3番目のカテゴリは、ProdwaysとCEA Tech LITENが開発した樹脂を間接体とする金属3Dプリント技術です。4番目のカテゴリは、HPがまもなく発売する金属3Dプリント技術に分類できます。

PBFテクノロジー<br /> レーザー溶融プロセスは、金属粉末の層をビルドトレイ上に置き、エネルギー源 (レーザーまたは電子ビーム) によって層ごとに溶融することから始まります。 PBF 技術は非常に複雑な製品の製造を実現できるため、複雑な製品の製造をより実現可能にするだけでなく、より大きな総合的な経済的利益も生み出します。

たとえば、コンフォーマル冷却金型などの複雑な金型を PBF 技術によってコスト効率よく製造する場合などです。最短のサイクル時間内でプラスチック製品を効率的に冷却する方法は、コンフォーマル冷却金型の設計と製造における重要な考慮事項となっています。積層造形におけるコンフォーマル冷却は、冷却効果を大幅に最適化し、金型寿命を延ばし、最終製品の品質を向上させます。この点において、上海 Yuerui 3D は、3D プリントされたコンフォーマル冷却金型の設計と製造において豊富な経験を積み重ねてきました。

たとえば、GE は 10 年以上にわたる研究を経て、燃料インジェクターの設計を継続的に最適化、テスト、再最適化し、インジェクターの部品数を 20 個以上から 1 個に削減しました。総合的なメリットの面では、積層造形法は燃料インジェクターの過熱やカーボン堆積の問題を改善するだけでなく、燃料インジェクターの耐用年数を 5 倍に延ばし、LEAP エンジンの性能を向上させます。

エアバスのバイオニック構造キャビンは、従来のキャビンの製造方法と機械的特性も覆しました。スカルマロイと呼ばれるこの部品の量産は、チタン金属の無駄を減らす上で重要な役割を果たすだけでなく、重量を減らすことで航空機の燃料消費を大幅に節約します。

しかし、PBF が研究室レベルのアプリケーションから生産レベルに移行すると、その限界が明らかになります。たとえば、ステンレス鋼の融点は華氏 2500 度近くになることがあります。個々の 3D プリンターデバイスが部品の処理を完了するために継続的にエネルギーを消費する必要がある場合を想像してみてください。全体的なエネルギー消費量を過小評価することはできません。ただし、PBF テクノロジーによってもたらされる包括的なメリットは、上記のいくつかの典型的なケースと同じくらい明白です。

したがって、大量生産の場合、このような高コストが意味を持つのは、通常、非常に複雑な内部チャネルを持つ部品や、ジェットエンジンの燃料ノズルや衛星部品などのハイエンド部品など、従来の方法では処理が難しい特殊な部品を処理する場合のみです。

PBF技術は、エネルギー消費以外にも、材料の制限や加工可能なサイズの制限、材料価格、工程管理、支持構造の追加の必要性など、さまざまな制限があり、これらの要因がPBF技術の普及を制限する要因となっています。もちろん、技術の向上とソフトウェアによる品質管理能力の向上により、PBF 技術は常にその限界を突破しています。

マテリアルジェッティング+焼結
Exone、3DEO、Markforged、Desktop Metal が使用する間接金属 3D プリントでは、材料噴射と焼結プロセスを組み合わせて、完全な密度の金属部品を製造します。設備コストの削減は部品コストの大幅な削減も意味し、低コストの部品を大量に生産することは生産に移行するための重要な要素となります。

バインダージェッティング技術による金属部品の 3D プリントにおける現在の制限は、部品のサイズです。初期のバインダージェッティング技術では、関連する収縮と焼結の問題を軽減するために青銅の浸透が使用されていましたが、これにより金属の材料特性が変化するため、部品を製造するための実行可能なソリューションであることが証明されませんでした。しかし、低コストの部品と大量生産の利点を獲得しながらビルドサイズの問題を解決することを期待して、新しい接着剤噴射技術機器が市場に登場しています。

3DEO のインテリジェントレイヤリングテクノロジーは、従来の製造技術と新しい付加製造プロセスを組み合わせた成形方法です。機械加工プロセスでは、より正確な幾何学的輪郭を実現するために、精密な CNC 加工が使用されます。

今後、直接金属 3D プリント技術と間接金属 3D プリント技術の間にはどのような競争があるでしょうか?これは検討する価値があり、引き続き注目する価値のあるトピックです。3D Science Valley の見解では、PBF レーザー溶融技術は高付加価値部品の製造に重点を置き、より洗練された材料結晶構造を作り出す可能性があります。一方、バインダージェッティングなどのバッチ間接金属製造技術は、大量生産と低コストの利点を活かして、PBF レーザー溶融技術ではカバーできない市場の需要を満たすことになります。もちろん、これは最も平和な状況でもありますが、経験上、競争はそれほど調和的ではないことが多いことが分かっています。

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出典: 3Dサイエンスバレー

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