金属3Dプリントの安全な生産を実現するために知っておくべき要素

金属 3D プリント技術は徐々に製造分野へと移行しており、複雑な部品の製造や小ロット生産においてますます重要な役割を果たしています。近年、GE、エアバス、ハネウェルなどの有名な製造ユーザーが世界中に積層造形センターを設立し、複数の金属 3D プリント装置を設置しています。こうした大手製造企業に加え、ニッチ分野の中小製造ユーザーも金属3Dプリンター設備を導入し、積層造形分野で競争力を築いています。

あらゆる製造生産ラインや生産工場には、従うべき安全生産規制があることは周知の事実です。では、ますます多くの金属 3D プリンター機器が企業の生産工場に導入されるようになると、生産の安全を確保するためにユーザーは何をすべきでしょうか? 金属 3D プリンター装置を使用する際に回避する必要がある安全上の危険は何ですか?以下では、Antarctic Bear が粉末床レーザー溶融金属 3D 印刷装置とその印刷材料を例に挙げ、安全上の危険をもたらすいくつかの要因を挙げ、誰もが金属 3D 印刷装置を安全かつ標準化された方法で操作するための確かな参考資料を提供します。

粉末および不活性ガスの使用におけるリスク

粉末床レーザー溶融金属 3D プリンターで使用される材料は、粒子サイズが 10 ～ 70 ミクロンの金属粉末です。このタイプの粉末材料は、火災や爆発の危険を伴います。さらに、人体が粉末粒子に長期間接触したり吸入したりすることで、人体にも一定の健康リスクが生じる可能性があります。

粉末床レーザー溶融プロセスでは、レーザーが金属粉末を局所的に溶融します。このプロセスは不活性ガス（アルゴンまたは窒素）で満たされた雰囲気で実行されますが、密閉された環境で酸素が発生する可能性があります。これが 2 番目のリスクの原因となります。さらに、金属粉末のレーザー溶融プロセス中に一定量の「煙」が発生し、これらの物質が印刷チャンバーとフィルターに堆積します。煙の中の粒子は金属粉自体よりも細かく、金属粉と同様の安全上の危険性があるため、定期的な清掃が必要です。

要約すると、印刷中の粉末床レーザー溶融プロセスには、火災と爆発、粉末の吸入と接触、不活性ガスによる窒息、材料廃棄物の環境への影響という 4 つの主な隠れた危険があります。

▲金属粉末を保管するためのプラスチック容器
火災と爆発

2014 年、米国労働安全衛生局 (OSHA) は、OSHA 労働安全衛生基準において、安全生産の事例を挙げました。ある会社の金属 3D プリント作業場には、基準に適合した消火設備が備えられておらず、作業員が火災で火傷を負うという事態が発生しました。火災は同社の設備の不適切な操作によって発生したが、この事件は依然として安全上の警告となっている。では、この事件から学ぶべき教訓は何でしょうか? 金属 3D プリント中に火災が発生する原因は何でしょうか?

上の図に示すように、火災や爆発は通常、酸素、燃料、発火源（左図）など、複数の条件が同時に発生することによって引き起こされます。酸素と燃料の両方が存在する場合、火災の危険があるため、火源を避ける必要があります。環境中で発生する静電気は発火源となる可能性があります。また、高温の表面や高温のガスは火花や迷走電流を発生させ、発火源となる可能性があります。爆発を引き起こす可能性のある条件としては、ほこり、酸素、燃料、閉じ込めなどが含まれます（右の写真）。環境中の粉塵は、火源に遭遇すると爆発する可能性があります。

もちろん、上記の条件が同時に満たされたとしても、必ず火災や爆発が発生するわけではありません。これらの条件が一定レベルに達した場合にのみ危険が発生します。例えば、粉末の粒子径が小さくなるほど燃焼の危険性が高まるため、リスク管理業務においては金属粉末の特性に注意を払う必要があります。一般的に、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、およびこれらの金属粉末から発生する煙は反応性の高い金属であり、鋼、インコネル、青銅、コバルトクロム合金などの不活性金属よりも火災や爆発を引き起こすリスクが高くなります。

粉塵の吸入と接触

金属 3D プリント粉末の粒子サイズは 10 ～ 70 ミクロンで、人間の呼吸器系に損傷を与える危険性があります。一部の学者は研究論文の中で、人体が直径10～70ミクロンの粉末粒子を吸い込んだ後、これらの微細な粉末粒子が気管や気管支に沈着し、最終的に人体に飲み込まれて排泄される可能性があることを明らかにしました。この直径範囲内の粉末粒子は、直径2ミクロン未満の粒子のみが肺胞に到達して肺に損傷を与えることができるため、人体の肺に損傷を与える可能性は低くなります。しかし、金属粉体環境に長時間いると人体にどのような害が生じるかは十分に確認されていないため、粉体作業者は依然として身体を保護するために防毒マスクなどの保護具を着用する必要があります。

· 不活性ガスによる窒息

粉末床レーザー溶融 3D プリント装置は、動作時にアルゴンや窒素などの不活性ガスを使用します。何らかの原因で不活性ガスが漏れた場合、重大な結果を招く可能性があります。どちらのガスも人体では検知できないため、被害者は両方のガスを含む空気を知らないうちに吸い込んでしまうことになります。人体が呼吸する空気中の酸素含有量は21％です。不活性ガスの漏洩により酸素含有量が19.5％以下に低下すると、酸素欠乏により人体に悪影響を及ぼします。この状況は、比較的閉鎖された小さな手術室で特に発生しがちです。金属 3D プリントのユーザーは、この潜在的なリスクを認識し、発生を防ぐための予防措置を講じる必要があります。

環境への影響

パウダーベッド金属 3D プリンタを使用する際の課題の 1 つは、デバイスのさまざまな部分から「散乱」する金属粉末の取り扱いと収集です。この取り扱いプロセスには、前述の火災、爆発、吸入による傷害のリスクも伴います。また、保管中に飛散した粉末は外部環境に一定の害を及ぼす可能性があります。

さらに、金属 3D プリンター機器を使用する前に、ユーザーは機器メーカーが提供するトレーニングに体系的に参加し、メーカーから安全な操作仕様を学び、防火および生産安全規制と組み合わせて標準化された予防措置を講じる必要があります。

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出典: 3Dサイエンスバレー

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1台のユニットで1日あたり500kg以上の金属3Dプリント粉末を生産できます。鄭州機械工学研究所の工業用回転電極（PREP）粉末製造装置をご覧ください。

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