積層造形特集 - 金属積層造形に関する予備的研究

出典：Veken産業研究センター著者：Veken産業研究センター知能製造研究員Shiyi

積層造形（AM）は、一般的に「3Dプリンティング」と呼ばれ、3次元CADデータに基づいて材料を接合して物体を作るプロセスです。積層造形と比較すると、通常は層ごとに積み重ねるプロセスです。 3D プリンティングは、積層造形技術を指す場合にもよく使用されます。 3D プリンティングとは、特に機器を指す場合、プリントヘッド、ノズル、またはその他の印刷技術を使用して材料を堆積し、物体を製造する技術を指します。この機器は、比較的低価格であるか、機能が低いことが特徴です。

積層造形技術は、3次元部品を単純な2次元層に離散化して加工し、層ごとに積み重ねて成形できるため、製造プロセス全体で従来の工具や金型を使用する必要がなく、部品構造の複雑さが成形効果に与える影響を基本的に考慮する必要がありません。従来の加工技術と比較して、積層造形技術の最大の利点は、加工可能な構造の複雑さが大幅に改善され、製造コストが大幅に増加しないことであり、「複雑さが不要」という利点があります。したがって、これによりコンポーネント設計の自由度が大幅に向上し、設計者は従来の製造プロセス制約に縛られることなく、想像力を存分に発揮できるようになります。プロセスの制約は、設計プロセスにおける主要な考慮事項ではなくなりました。設計者は、最適化された設計によるコンポーネントのパフォーマンスの向上、複数のコンポーネントの統合、軽量設計の実行、複雑な内部幾何学的形状の作成などに集中できます。

現在、積層造形はレーザー積層造形、電子ビーム積層造形、アーク積層造形の 3 つのカテゴリに発展しています。

レーザー積層造形（LAM）は、レーザーをエネルギー源として使用する積層造形技術です。離散方式は、成形原理を点ごとまたは層ごとに「蓄積」するために使用され、製品の 3D CAD モデルに従って製品部品が迅速に「印刷」されます。一般的に、金属積層造形には、レーザー直接堆積法 (LDMD) と選択的レーザー溶融法 (SLM) の 2 つのプロセスが使用されます。

出典：OFweek産業研究センターが編集・集計使用する原材料の形状と供給方法によって、電子ビーム積層造形技術は、ワイヤの溶融と同期供給に基づく電子ビーム溶融ワイヤ積層造形と、事前粉末敷設に基づく電子ビーム選択溶融積層造形に分けられます。ここでは、電子ビーム選択溶融積層造形法にのみ焦点を当てます。

電子ビーム選択溶融法（EBSM）は、コンピュータを使用して部品の3次元モデルを層状に処理し、各層の断面の2次元輪郭情報を取得して、処理パスを生成します。電子ビームは、所定のパスに沿って2次元グラフィックスを充填およびスキャンし、事前に配置した金属粉末を溶かして層ごとに蓄積し、最終的に高密度金属部品のニアネットシェイプ直接製造を実現します。

EBSM は、チタン合金、銅合金、コバルト基合金、ニッケル基合金、鋼鉄などの金属材料の加工に適しています。
EBSM は、航空宇宙、自動車、医療用インプラントなどの業界に適用できます。

ワイヤおよびアーク積層造形法 (WAAM) では、電気アークまたはプラズマアークを熱源として使用して金属ワイヤを溶かし、層ごとに堆積させて、製品の形状とサイズの要件に近い 3 次元金属ブランクを製造し、その後、少量の機械加工を実行して、最終的に製品の使用要件を満たします。金属材料のニアネットシェイプ製造技術です。アーク積層造形技術は、欧州宇宙機関によって低エネルギー、持続可能、グリーン、環境に優しい製造技術と呼ばれており、特に加工が難しい貴金属部品の積層造形に適しています。

金属積層造形用原材料<br /> 付加製造は、デジタル技術、新素材技術、光学技術など複数の分野の発展の産物です。その動作原理は、2 つのプロセスに分けられます。1 つ目はデータ処理プロセスで、3 次元のコンピュータ支援設計 (CAD) データを使用して 3 次元 CAD グラフィックスを薄い層にカットし、3 次元データを 2 次元データに分解するプロセスを完了します。2 つ目は製造プロセスで、選択された製造方法を使用して、層状の 2 次元データに基づいてデータ層と同じ厚さの薄板を製造します。各層の薄板は順番に積み重ねられて 3 次元エンティティを形成し、2 次元の薄層から 3 次元エンティティへの製造プロセスを実現します。積層造形技術は、材料、機械、制御、ソフトウェアなど複数の分野の知識を統合し、複数の分野にまたがる高度な製造技術です。

積層造形のプロセス要件を満たすために、金属積層造形で使用される原材料は、主に金属粉末と金属線の形態をとります。粉末は金属積層造形に最も一般的に使用される原材料であり、レーザー選択溶融、レーザー溶融堆積、電子ビーム選択溶融などのさまざまな積層造形プロセスで使用できます。

金属粉とは、大きさが1mm未満の金属粒子の集合体を指し、純金属粉、合金粉、金属的性質を持つ複合粉などが含まれます。粉末冶金で使用される粉末とは異なり、付加製造では、その特殊なプロセスのため、金属粉末の粒子サイズ、球形度、酸素含有量、形態、およびその他の特性に対してより高い要件が課せられます。積層造形プロセスの種類や部品の精度要件が異なるため、金属積層造形には原料粉末の粒子サイズに対する要件が異なります。積層造形に使用される金属粉末は、粉末粒子サイズの要件に加えて、純度が高く、不純物元素が少なく、粉末の真球度が高く、サテライト粒子が少ないことも必要です。粉末ベースの付加製造では、粉末が良好な流動性と高い嵩密度を備えている必要があります。研究によれば、付加製造装置が継続的に改良されたとしても、付加製造された部品の品質は粉末の品質によって制限されることになります。

金属粉末の形態は、積層造形プロセスと部品の性能に影響を与える重要な要素です。さらに、粉末の粒子サイズと粒子サイズ分布も、積層造形プロセスとその品質に重要な影響を及ぼします。熱源（レーザー、電子ビーム）や積層造形プロセス（粉末供給、粉末敷設）が異なれば、粉末の粒子サイズに対する要件も異なります。金属粉末の特性は、積層造形プロセスのパラメータの配合を決定し、積層造形成形のパフォーマンスに大きな影響を与えます。積層造形における金属粉末の特性を科学的かつ正確に評価することは、積層造形プロセスの再現性と製品の性能を確保するために不可欠です。これらはすべて仕様とテスト基準に基づいている必要があり、定量分析用のコンピュータソフトウェアと組み合わせた機器を使用します。

金属積層造形原材料の品質と価格は、積層造形製品の品質とコスト競争力に直接影響します。そのため、高品質で低コストの金属粉末と金属線は常に積層造形技術の発展の焦点であり、積層造形の急速な発展の基礎でもあり、この技術が将来普及できるかどうかを大きく左右します。

積層造形の主な原料として、金属粉末製品は現在以下の分野で使用されています。

工業用金型材料：MS1、CX、17-4phなど。
銅合金、AlSi10Mg、316L などのクリエイティブデザイン分野。
TC4、インコネル718などの航空宇宙分野。
バイオメディカル分野：CoCr合金、チタンおよびチタン合金、タンタル金属など。
インバー合金、高エントロピー合金、タングステン金属などの科学研究応用材料。

積層造形用金属粉末の製造方法<br /> 金属粉末製造プロセスの本質に応じて、既存の金属粉末製造方法は、機械的方法と物理的および化学的方法の 2 つのカテゴリに分類されます。

機械的方法：金属原料を、化学組成を基本的に変化させずに、押し出し、衝撃、粉砕などにより機械的に粉砕し、金属粉末を得ます。この方法は、脆い金属およびその合金に特に適しています。機械的な方法には、主に機械的粉砕と噴霧が含まれます。

物理化学的方法：物理的作用または化学反応によって原材料の凝集状態または化学組成を変化させ、金属または合金の粉末を得るプロセス。還元法、電気分解法、水酸化法など。

金属積層造形の技術的難しさ<br /> 金属積層造形の技術的な難しさには、熱物理学と物理冶金学の問題が含まれます。
熱物理の問題 - 積層造形プロセスにおける金属材料の熱物理の問題には、主に次の 3 つの点が含まれます。
（１）加工温度が急激に変化し、材料に大きな熱応力が生じる。
（２）物質は不均一な周期的な固体相変化過程にあり、組織応力を生じている。
（３）材料は強い拘束を受け、急速な凝固を起こし、凝固収縮応力が発生する。

上記の熱物理的問題により、製造工程中に材料が変形したり割れたりして、製品が廃棄物になることがあります。

物理的冶金学的問題 - 積層造形プロセスでは、材料の固体相変化プロセスが複雑で、粒子形態と微細構造を制御するのが難しく、内部欠陥が材料の機械的特性に影響を与えやすく、製品の剛性、靭性、伸び、耐疲労性が要件を満たせなくなります。

金属積層造形企業は熱物理学と物理冶金学の問題を徐々に解決し、材料特性は鍛造レベルに達しました。金属積層造形企業は、材料特性の継続的な研究と生産プロセスの継続的な改善を通じて、金属積層造形の技術的な困難を最初に解決したプロセスを模索してきました。製品の性能は鋳造を超え、鍛造のレベルに達しています。

金属積層造形用原材料のサプライヤー

世界と私の国の金属3Dプリント原材料サプライヤー

世界的に、金属3Dプリント原材料の主なサプライヤーは以下の企業です。出典：OFweek Industry Research Center

金属付加製造市場の概要
金属3Dプリントの開発状況と市場規模

世界的にも国内市場においても、3Dプリンティング業界の規模は急速に拡大しています。コンサルティング会社ウォーラーズ・アソシエイツの統計によると、世界の3Dプリント産業の総生産額は2013年に30億3000万ドルだったが、2018年には96億8000万ドルに達し、過去5年間の複合成長率は26.1％となった。同機関はまた、2020年、2022年、2024年までに世界の3Dプリント産業の総生産額はそれぞれ158億ドル、239億ドル、356億ドルに達すると予測している。つまり、2019年から2024年まで、世界の3Dプリント産業は依然として年間平均約24％の複合成長率を維持することになる。金属3Dプリント業界には大きな市場可能性があります。3Dプリント業界の調査機関であるSmarTech Analysisの2019年の分析によると、3Dプリント機器、材料、サービスを含む世界の金属3Dプリント市場規模は、2024年に110億米ドルに達すると予想されています。したがって、2つの外国機関のデータに基づくと、世界の金属3Dプリント業界の複合成長率は今後5年間で20％を超え、市場規模は2024年までに110億米ドルに達すると控えめに見積もられています。
出典：Polyliteの目論見書、OFweek Laser Network、Wohlers Associatesなど。世界平均と比較すると、わが国の3D産業の市場規模はより高い成長率を示しています。2013年、国内の3Dプリント産業の規模はわずか3億2,000万米ドルでしたが、2018年には23億6,000万米ドルに達し、5年間の複合成長率は49.1％でした。 2023年までに、我が国の3Dプリンティング産業の総収益は100億米ドルを超えると予想されています。
出典：OFweek産業研究センターが編集・集計したPolylite IPO目論見書。過去のデータから判断すると、わが国の3Dプリント産業規模が世界に占める割合は増加し続けています。2012年にはその割合はわずか7.08％でしたが、2018年には24.38％に増加しました。世界最大の製造拠点であり、大消費国である中国は、今後も大きな可能性を秘めています。

出典: ポリライト IPO 目論見書、Wohlers Associates OFweek Industry Research Center が編集および集計
中国の3Dプリント市場は急速に発展しており、今後5年間でその成長率は世界市場を上回るだろう。

中国市場は急速に発展しており、年間平均30％の成長率を維持すると予想されています。 1990年代、わが国では多くの科学研究機関が3Dプリントの研究を開始しました。約30年間の科学技術研究を経て、中国の3Dプリント産業は形を整え始め、世界の生産額に占めるシェアは増加し続けています。ウォーラーズが発表した報告書によると、中国の3Dプリント市場の規模は2011年から2016年にかけて10億元から80億元に急増した。世界市場におけるシェアも増加を続けており、2016年には約18%を占めました。

わが国は2015年以来、中国共産党第17回全国代表大会における「製造強国の建設を加速し、先進製造業の発展を加速する」という理念の指導の下、一連の「付加製造」産業の発展を促進する政策を公布し、「付加製造」を国の重点開発分野に含めました。「第13次5カ年計画」では、国内の3Dプリント技術のさらなる発展の方向性が示されており、政策の指導と科学研究者の継続的な努力の下、わが国の3Dプリント産業は過去5年間で急速に発展しました。わが国の工業情報化部電子情報産業研究部が2020年3月に発表した「2019年の世界と中国の3Dプリント産業データ」によると、わが国の3Dプリントの生産額は2016年から2019年の間に2倍に増加しました。2019年の産業規模は157.5億元で、2018年より31.1％増加しました。 2020年までに業界規模は208億人民元に達し、成長率は32.06%になると予測されています。米国のインターナショナル・データ・グループ（IDG）も、中国の3Dプリント市場の規模は今後5年間で世界の3D産業よりも速いペースで成長し、年平均成長率30％以上を維持し、2023年までに306億元を超えると予測している。

△中国の3Dプリント市場規模
2020年2月、中国標準化管理局は6つの部門と共同で「付加製造標準試行行動計画（2020～2022年）」を発表し、「2022年までに、国の状況に基づき、国際基準に沿った新たな付加製造標準システムを基本的に確立する」ことを提案した。さらに、国際競争力を高めるために、積層造形に関する「パイロット」規格を80～100個開発し、国内規格の国際化を推進し、その転換率を90％にすることを計画している。

中国の3Dプリント産業は欧米先進国に比べ遅れてスタートしたが、下流の需要と政策支援のおかげで急速に追いついた。わが国の3Dプリント産業は、産業発展の初期段階では、産業チェーンの不完全さ、原材料の未熟さ、技術基準の混乱などの問題を抱えていました。2015年に「中国製造2025」戦略が導入され、実施された後、各レベルの地方政府は地域計画政策の実施を積極的に推進し、中国の3Dプリント産業は徐々に成熟し、世界の先進レベルとの差は縮まり続け、市場は急速な成長傾向を示しています。

近年、我が国は3Dプリンティング市場の発展を非常に重視しており、この業界を支援する政策を継続的に導入してきました。 2021年6月、「2021年企業標準「リーダー」実施の重点分野」に、付加製造業界が2021年企業標準「リーダー」実施の重点分野に含まれました。さらに、「付加製造標準パイロット行動計画」では、2022年までに、国の状況に基づき、国際基準に沿った新たな付加製造標準システムを基本的に確立することを提案しています。

△国家政策が3Dプリント産業の発展を強力に支援出典：工業情報化部、国家発展改革委員会などの部門、OFweek産業研究センターがまとめ、集計