最も一般的に使用される 10 の金属 3D 印刷技術ルート、どのように選択すればよいですか?

はじめに:数年前までは、金属を使用した 3D プリントは産業界でのみ使用されていました。今ではすべてが変わり、デスクトップ FDM 3D プリンターとより特殊なマシンの両方で金属 3D プリントが利用できるようになり、より手頃な価格で高品質の部品を製造できるようになりました。この記事では、金属部品を 3D プリントするためのすべてのテクノロジーと、金属部品を印刷するためにどのテクノロジーを使用すべきかについて説明します。
△Raise3Dが発売したForge1 3Dプリンターは金属部品を印刷できる（出典：Raise3D）
金属 3D プリント部品ケース

現在、市場には金属部品を 3D プリントする方法が約 10 種類あります。これらの方法は、材料が金属線なのか、金属粉なのか、金属線なのかなど、使用する原材料の形態やエネルギー源によって大まかに分けられます。金属樹脂、金属棒、金属ペレットなどを原料として使うものもあり、それぞれの方法によって特性の異なる部品が作られます。

使用する金属技術を選択するには、部品の詳細、形状、サイズ、強度、金属の種類、コスト、印刷速度、数量などの側面を考慮する必要があります。これらの側面から分析すると、それぞれの技術には長所と短所があります。残念ながら、超強力な部品を迅速かつ安価に完璧に 3D プリントする方法はないため、アプリケーションの要件に基づいて使用する技術を選択する必要があります。

金属部品の例をいくつか見てみましょう。

△ 金属ワイヤー 3D で印刷されたこのような部品は、多くの場合、後処理が必要です (出典: BCN3D)
上の小さなスチールノズルはフィラメントを使用して印刷された部品です。このような部品は金属フィラメントの使用に最適で、手頃な価格の FDM 3D プリンターを使用してワークショップやオフィスの現場で素早く 3D プリントし、その後、後処理のためにサードパーティに引き渡すことができます。全体として、このプロセスには数日しかかからない可能性があります。他の製造方法を使用すると、この部品の製造にはコストがかかり、時間がかかります。

△ゼニステクニカはGEの電子ビーム溶解技術を使用してチタン合金の整形外科用インプラントを3Dプリントする（出典：ゼニステクニカ）
これらの股関節および膝関節インプラントのサンプル (上) は、電子ビーム溶融 (EBM) を使用して印刷されました。これらは精巧に構築されており、高価なチタンで作られ、医療用インプラントの基準を満たすために極めて高い材料品質と許容範囲で製造されています。 EBM 3D プリンターの真空環境により、クリーンかつ制御された印刷条件が保証され、高出力の電子ビームによりプリンターはビルドごとに複数の部品を製造できるため、生産性が向上します。

△WAAM 3Dプリント技術を使用して印刷されたクレーンフック（出典：Huisman）
上記の巨大なクレーンのフックは、ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) を使用して印刷され、その後後処理されました。このような大きく重い部品は、WAAM を使用するのに最適です。この技術は、従来の金属加工方法 (鍛造や鋳造など) よりも高速で、強度も同様に優れています。さらに、このような部品は、需要地に近い工場や、石油掘削装置などの現場でも生産できます。

△コブラゴルフは2020年にHPマルチジェット金属バインダージェット技術を使用して3Dプリントされたキングスーパースポーツ-35ゴルフパターを発売しました（出典：コブラゴルフ）
Cobra Golf のこれらのゴルフクラブは、HP の金属バインダージェッティング技術を使用して 3D プリントされました。この独特な形状は他の製造技術では実現できません。何千もの同一部品が必要だったため、メーカーはスピードと高いスループットを理由にバインダージェッティングを選択しました。同時に、この技術は優れた表面仕上げの印刷も可能です。 Cobra Golf は、クラブの製造を米国の現地添加剤メーカーに外注し、アジアの製造センターで製造して出荷する必要がなくなりました。

金属を3Dプリントする10のベストな方法

テクノロジーの種類	成形サイズ	料金	最低床高	部品の性能	印刷速度
FDM/押出成形溶融押出成形（ワイヤー）	小～中	$	0.05ミリメートル	中〜高	最大500mm/秒
SLM/PBF選択的レーザー溶融またはレーザー粉末ベッド	小～中	$$$	0.02ミリメートル	高い	最大25cm3/h
EBM/PBF電子ビーム溶解または電子ビーム粉末ベッド	小～中	$$$$	0.07ミリメートル	高い	55 – 80 cm3/時
金属バインダージェッティング	小～中	$$$	0.035ミリメートル	高い	1,500 cm3/時
WAAMアークワイヤ供給	大きいから非常に大きい	$$	1ミリメートル	高い	2.2kg/時
DED レーザー直接エネルギー堆積	中～大	$$$$	0.2ミリメートル	高い	500 cm3/時
DED eBeam直接エネルギー堆積	中～大	$$$	0.2ミリメートル	高い	2,000 cm3/時
金属リソグラフィー	非常に小さいから中程度	$$$$	0.01ミリメートル	高い	最大300層/時
コールドスプレー	中～大	$$	0.38ミリメートル	高い	100グラム/メートル
マイクロ3D プリント	とても小さい	$$$$	0.005ミリメートル	高い	–

△TRUMPFの選択的レーザー溶融部品（出典：TRUMPF）
自分に合った金属 3D プリント技術を選択するにはどうすればよいでしょうか?

上の画像からわかるように、特に造形速度に関しては、金属 3D 印刷技術のすべての機能が同じように測定されるわけではありません。一部の技術では、堆積した材料の重量で構築速度を記録しますが、他の技術では、構築された材料の体積で測定します。これらの速度は、印刷される部品の形状によっても影響を受けます。さらに、同じ技術の範囲内ですべての 3D プリンターが同じ速度に到達する可能性は低いです。

レイヤーの高さは、一般的に細かい部分を印刷する能力のパラメータですが、使用する材料、部品の形状、印刷速度によって影響を受けます。いずれかのテクノロジーに投資する前に、複数の 3D プリンター製造元からサンプル部品 (同じ部品) を要求してください。サンプル部品には、部品の印刷にかかる時間、プリンターが一度にそのサイズと形状の部品をいくつ印刷できるか、部品あたりの価格、材料の消費量などを示すレポートが付属している必要があります。

10 種類の金属 3D プリント技術の紹介

1. FDMと押し出し

△BASF Forward AMステンレス鋼フィラメントを使用してFDM 3Dプリンターで3Dプリントした金属部品（出典：Ultimaker、IGO3D）
押し出しのカテゴリに分類される 3D 印刷技術はいくつかあります。 1 つは、金属粒子が均一に注入されたプラスチックベースで作られたフィラメントを使用する、よく知られている熱溶解積層法 (FDM) です。金属部品を印刷するための金属フィラメントには、高濃度の金属粉末（約 80%）が含まれている必要があり、金属部品を得るためには、脱脂や焼結などの後処理を行ってプラスチック成分を除去する必要があります。市販されているデスクトップ FDM 3D プリンターの中には、ステンレス鋼 (316L、17-4 PH)、銅、チタンなどの金属フィラメントを使用して印刷できるものもあります。

別の技術では、より高濃度の金属フィラメントを使用します。実際には固体の金属棒ですが、加熱して絞り出すことができます。これらの材料は通常、Markforged や Desktop Metal などの特定の 3D プリンターに固有のものであり、通常の FDM よりもコストがかかりますが、他の金属 3D 印刷方法よりもコストは低くなります。

金属押し出しの 3 番目の方法 (産業部門ではこの方法の方が多く使用されています) は、金属ペレットを使用した押し出しです。金属ペレットは射出成形と同じ材料であるため、安価ですが、特別に作られたペレットを使用することもできます。

2. レーザーを使用した金属粉末床溶融 - 選択的レーザー溶融（SLM）

△金属プリンターメーカーSLMソリューションズの粉末床溶融装置は、レーザーを使用して金属粉末を溶融します（出典：SLMソリューションズ）
金属 3D プリンターの大部分を占める、高出力レーザーを使用して金属粉末を選択的に溶融する 3D プリンターは、選択的レーザー溶融 (SLM) または粉末床溶融 (PBF) と呼ばれることがよくあります。プリンターは「純粋な」金属材料または合金材料を使用できます。

SLM 3D プリンターは粉末金属原料を使用します。印刷チャンバーに入れられた後、スクレーパーまたはローラーが金属粉末を基板または構築プラットフォーム上に広げて薄い層を形成します。次に、高出力レーザーがスライスされたパターン内の粉末材料を選択的に溶かします。次に、ビルドプレートが小さな層の高さまで下がり、コーターが表面に別の新しい粉末層を広げます。プリンターは部品が完成するまでこれらの手順を繰り返します。

EBM テクノロジーと比較して、SLM テクノロジーはより優れた初期表面仕上げとより高い精度で印刷できます。

3. 電子ビームを用いた金属粉末床溶融 - 電子ビーム溶融（EBM）
△ 電子ビームを使用した粉末床融合技術は、印刷速度が速く、出力が高いことで知られています。これらの外科用インプラントは、GE Additive の Arcam 3D プリンターを使用して印刷されました (出典: GE Additive)
電子ビーム溶融法は、電子ビームをエネルギー源として使用する 3D プリント技術であり、主に導電性金属に使用されます。すべての EBM 3D プリンターは、電子ビームを放射できるエネルギー源、粉末容器、粉末フィーダー、粉末再コーター、および加熱ビルドプラットフォームで構成されています。印刷プロセスは真空状態で実行する必要があることに注意してください。これは、電子ビームの電子がガス分子と衝突し、電子ビームが「消滅」するためです。

電子ビームのエネルギーが高いため、EBM は SLM よりも高速で、製品部品の残留応力は SLM よりも低くなります。

4. 金属バインダージェッティング

△3DプリンターメーカーExOne（Desktop Metalが買収）の金属バインダージェッティング技術を使用して作られた金属部品（出典：ExOne）
金属バインダージェッティングでは、固体ではなく複雑なデザインの部品を印刷できるため、同じ強度を保ちながら大幅に軽量化された部品が得られます。バインダージェッティングの多孔性特性は、インプラントなどの医療用途の最終部品の軽量化にも利用できます。他の積層造形プロセスと同様に、バインダージェッティングでは、内部の通路や構造を持つ複雑な部品を製造できるため、溶接の必要性がなくなり、部品の数と重量が削減されます。バインダージェッティング用に金属部品を再設計すると、使用される材料と廃棄される材料を大幅に削減できます。

全体的に、金属バインダージェッティング部品の材料特性は、金属部品の大量生産に最も広く使用されている製造方法の 1 つである金属射出成形で製造された金属部品の特性と同等です。さらに、バインダージェット成形された部品は、特に内部チャネルの表面の滑らかさが向上しました。

5. ワイヤアーク積層造形法（WAAM）

△MX3DのWAAM鋼製パーツ（出典：MX3D）
アークワイヤ積層造形法では、金属ワイヤを材料として使用し、電気アークをエネルギー源として使用します。これは溶接と非常によく似ています。アークによって金属線が溶け、ロボットアームによって層ごとに形成プラットフォーム上に堆積されます。溶接と同様に、不活性ガスは酸化を防ぎ、金属の特性を改善または制御するために使用されます。

このプロセスでは、材料を徐々に完全な 3 次元オブジェクトに構築するか、既存のオブジェクトを修復します。取り外す必要があるサポート構造はなく、完成した部品は厳しい公差に合わせて CNC 加工したり、必要に応じて表面仕上げしたりすることができます。通常、印刷された部品は残留応力を軽減するために熱処理が必要です。

6. レーザーベースの指向性エネルギー堆積（DED）

△金属部品は、レーザー指向性エネルギー堆積技術を使用してDMG森精機の機械で3Dプリントされています（出典：DMG森精機）
レーザー指向性エネルギー堆積技術は、金属材料を溶かし、同時にノズルから堆積させるために使用されます。金属材料は粉末またはワイヤの形状であってもよい。 DED では完全な部品を作成できますが、この技術は通常、既存のオブジェクトを修復したり、既存のオブジェクトに材料を追加したりするために使用されます。 CNC加工と組み合わせることで、精密な完成部品を生産できます。

DED システムは、使用される粉末のサイズが通常大きく、より高いエネルギー密度を必要とするため、PBF システムとは異なる場合があります。 PBF システムと比較すると、構築速度が速くなります。ただし、これにより表面品質が低下し、追加の機械加工が必要になる場合があります。 PBF システムで一般的に使用されるサポート構造は、DED ではほとんど使用されないか、まったく使用されません。DED では通常、多軸ターンテーブルを使用してビルドプラットフォームを回転させ、さまざまな機能を実現します。 DED システムは、粉末ベッドを必要とせずに、既存の部品の修理や印刷を行うことができます。

7. 電子ビーム指向性エネルギー堆積（DED）に基づく

△ 電子ビーム溶融金属ワイヤを使用した xBeam DED プリンターで 3D プリントされた部品。これらのプリント部品の半分は、最終部品の品質要件を満たすために CNC 処理されています (出典: xBeam)
電子ビーム指向性エネルギー堆積法では、電子ビームを使用して、ノズルから堆積される金属ワイヤ（粉末ではなく）を溶かします。上で説明した WAAM と同様に、電子ビーム DED はその速度が高く評価されています。 WAAM とは異なり、これらのプリンターには真空チャンバーが必要です。通常、部品はほぼネットシェイプに印刷され、その後、上の写真に示すように、厳しい許容誤差に合わせて CNC 加工されます。

8. 金属光造形

△金属を混ぜた樹脂素材で作られたメタルプリントはマイクロ3Dプリントでよく見られる（出典：Incus）
金属リソグラフィーは、リソグラフィーベースの金属製造 (LMM) とも呼ばれ、感光性樹脂と金属粉末の混合スラリーを原料として使用します。この感光性ペーストは、光の影響下で層ごとに選択的に重合されます。金属ステレオリソグラフィーは表面品質に優れており、主にマイクロ 3D プリントで使用されているため (ただしこれに限定されません)、非常に高い詳細度を実現できます。

9. コールドスプレー

△出典：Impact Innovations
コールドスプレー法は、金属粉末を超音速で噴射し、溶融せずに接合する製造技術で、熱応力がほとんど発生しません。 2000年代初頭からコーティング工程として利用されてきましたが、一般的な金属3Dプリンターよりも約50～100倍の速度で数センチの精度で金属層を堆積できるため、最近ではいくつかの企業が積層造形にコールドスプレー技術を採用しています。

積層造形において、コールドスプレー法は、金属交換部品の迅速な製造のほか、軍事機器や石油・ガス産業の機械などの金属部品の現場での修理や修復にも使用されています。修復された部品は、場合によっては新品よりも優れていることがあります。

10. マイクロナノ金属3Dプリント

△ 3D MicroPrint によるマイクロナノ金属 3D プリント (出典: 3D MicroPrint)
マイクロメタル 3D プリント部品を製造するには、前述の金属ステレオリソグラフィーと、同じく前述の小規模レーザー粉末床融合技術であるマイクロナノ選択的レーザー焼結 (μSLS) の 2 つの方法があります。マイクロレーザー焼結またはマイクロレーザー溶融とも呼ばれるこの産業技術では、粉末床と微細レーザーが使用されます。

3Dプリントにおける金属材料

△ The Virtual Foundry の FDM 印刷金属フィラメント (出典: The Virtual Foundry)
ほぼすべての金属は 3D プリントできます。部品の複雑さと速度の他に、金属を 3D プリントする主な利点の 1 つは、原材料の節約と実質的に廃棄物がないことです。これは、チタンなどの高価な材料で印刷する場合に非常に重要です。

一部の 3D 印刷方法では、粉末、フィラメント、ペレットなど、射出成形にすでに使用されている材料を使用できますが、他の材料は 3D 印刷用に独自に配合されています。部品をどのような材料で印刷する必要があるかわかっている場合は、以下のガイドを参照して、チタン、アルミニウム、スチールを印刷するすべての方法を学んでください。

テクノロジー	材料の選択
FDM/押出成形溶融押出成形（金属線）	ステンレス鋼（ 316L 、 17-4 PH ）、銅、チタン、青銅、タングステン、アルミニウム
SLM/PBF選択的レーザー溶融またはレーザー粉末ベッド	アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼、工具鋼、チタン、貴金属
EBM/PBF電子ビーム溶解または電子ビーム粉末ベッド	アルミニウム、銅、ニッケル、ステンレス鋼、工具鋼、チタン、貴金属
金属バインダージェッティング	マルエージング鋼、ステンレス鋼、工具鋼、ニッケル、コバルト、チタン、アルミニウム、銅、青銅
WAAMアークワイヤ供給	ステンレス鋼、工具鋼、チタン、ニッケル基合金
DED レーザー直接エネルギー堆積	鋼、鋳鉄、ニッケル合金、チタン合金、アルミニウム、銅など。
DED eBeam直接エネルギー堆積	ステンレス鋼、工具鋼、ニッケル合金、チタン合金
金属リソグラフィー	ステンレス鋼、チタン、銅、ニッケル、真鍮
コールドスプレー	チタン、銅、ステンレス、工具鋼、アルミニウム、ニッケル、ニオブ、タンタル
マイクロ3D プリント	鉄鋼、銅、貴金属

金属3Dプリントサービス

△BeamIT金属3Dプリントサービス（出典：BeamIT）
3D プリントが金属部品や製品にもたらすすべての利点を享受するために、必ずしも独自の 3D プリンターに投資する必要はありません。世界中で、選択した金属で製品やプロトタイプを印刷できるだけでなく、部品に最適な方法、材料、設計に関するアドバイスも提供できる 3D 印刷サービスプロバイダーが増えています。

コンパイル元: all3dp