金属積層造形プロセスの開発と技術レビュー

出典: 江蘇レーザー連盟

今日、顧客のニーズはダイナミックに変化しており、業界はカスタマイズされたエンドユーザー製品の製造へと移行しており、市場の変動を予測することは非常に困難です。そのため、製造業界は、品質と精度を損なうことなく最短のリードタイムで製品を提供する、一時的な製品開発戦略へと移行する必要があります。直接金属堆積は、ラピッドプロトタイピングからリアルタイムの工業部品の製造まで幅広い用途を持つ、成長を続ける付加製造技術の 1 つです。

さらに、このプロセスは、部品がオンデマンドで生産されるジャストインタイム製造に適しており、コスト、エネルギー消費、二酸化炭素排出量を削減する可能性を提供します。この高度な製造技術の開発により、製造上の制約が大幅に軽減され、製品の汎用性が大幅に向上しました。この論文では、粉末床溶融結合と直接金属堆積という 2 つの側面から、金属付加製造 (MAM) 技術の開発、現状、課題について説明します。さらに、この記事では、金属積層造形のさまざまなバリエーションとそのプロセスメカニズム、利点と欠点、および用途についても説明します。最後に、時間コスト三角測量法を使用してプロセスの効率を分析し、その機械的特性の包括的な比較を行いました。このレビューにより、MAM の基本的な理解が深まり、研究開発の範囲が拡大します。

1. はじめに 1980 年代初頭、ラピッドプロトタイピング (RP) と呼ばれる、レイヤーごとの製造技術を使用して 3 次元オブジェクトを作成する最初の形式が開発されました。ラピッドプロトタイピングで使用される主な原材料は、固体、液体、粉末の 3 つです。材料の使用が拡大するにつれて、AM プロセスの適用範囲が広がり、幾何学的精度や物理的・機械的特性に関する顧客の要件を満たしながら金属部品を直接製造できるようになりました。複雑な部品形状を高い精度で加工することが、カスタム部品の製造の鍵となります。この問題に対処するために、金属積層造形（MAM）と呼ばれる新しい技術が使用され、製造における幅広い新しい可能性が生み出されています。さらに、モデリング科学、製造、材料処理における最近の進歩により、AM の焦点はラピッドプロトタイピングから金属部品の直接製造へと移行しています。

1980 年代初頭、カールデッカードは、プラスチック、ガラス、セラミック、さらには金属など、さまざまな材料を使用してオブジェクトを印刷できる、直接金属レーザー焼結として知られる選択的レーザー焼結 (SLS) 技術を開発し、特許を取得しました。このため、プロトタイプ作成と最終製品の製造の両方で人気のプロセスとなっています。 1990 年代後半には、レーザー焼結技術が金属部品の直接製造に広く使用されるようになりました。まず、1994 年に、Electro-Optical Systems (EOS) が、直接金属レーザー焼結技術 (DMLS) に基づいて動作する EOSINT 160 マシンのプロトタイプを発表しました。その後、EOSはEOSINT 250マシンを商品化し、市場に投入し、金属部品の迅速な生産を可能にしました。 ASTM によれば、MAM は「減算型製造プロセスではなく、通常は層ごとに 3D CAD モデルデータからコンポーネントを製造するプロセス」と定義されています。 MAM プロセスは、ツールを使用しない製造方法であり、多種多様な部品の生産、人間と機械の相互作用の最小化、設計サイクルの短縮など、大きな利点があります。その結果、このプロセスは業界標準の金属部品の製造のための総合的な研究分野へと発展しました。

結合金属堆積 (BMD) 押出機。

BMD は、粉末を充填した熱可塑性媒体から金属部品を押し出す押し出しベースの金属 AM プロセスです。 BMD テクノロジーは、STL ファイルとネイティブ CAD ファイルを入力として使用します。ファイルが処理されると、金属粉末とバインダー（ワックスとポリマーバインダー）を使用して準備された加熱された金属棒から部品が押し出されます。印刷後、結合プロセスによってバインダーが除去され、その後焼結されて金属粒子の密度が高まります。このプロセスでは、実際の部品として金属棒を押し出す押出機と、ビルドチャンバーやビルドサポートなど内で複数の部品を分離するために使用されるセラミックインターフェース誘電体棒を押し出す押出機の 2 つの押出機が使用されます。マイクロ波焼結プロセスにより、部品の焼結を大幅に高速化できます。 BMD の利点は、印刷プロセス中に熱源が使用されないため、残留応力が発生しないことです。印刷の後は炉内で焼結が行われ、ゆっくりと均一に加熱され、応力の発生が最小限に抑えられます。また、ブラケット構造は分解が非常に簡単で加工も必要ありません。 BMD は BJ よりも高速なプロセスです。一方、このプロセスでは完全な密度の部品は製造されず、強度を向上させるために後処理の焼結が必要になります。 Desktop Metal が BMD を商品化 (上)。

金属積層造形は、従来の製造技術では製造が困難または不可能な複雑な構造部品を製造する高い能力を備えています。 MAM は、高価なツールシステムを必要とせずに、3D コンピューター支援設計 (CAD) モデルから直接カスタム部品を製造できるという点でユニークです。さらに、MAM はスペアパーツの在庫を削減しながら、オンデマンドで部品を生産できます。これに加えて、MAM を使用すると、重要なコンポーネントや廃止されたコンポーネントのリードタイムも大幅に短縮されます。

MAM の注目すべき点は、従来の製造技術と比較して部品単位のコストがほぼ一定であることです。鋳造、成形など、ほぼすべての従来の製造方法は、単位部品の分析コストの点で安価になりました。ただし、少量生産の場合、実行するにはコストが非常に高くなります。これは主に、部品 1 ユニットの製造に必要な間接費とコストの差によるものです。 MAM プロセスでは、高度な自動化テクノロジーを最適化するため、間接費はほとんど発生しません。 MAM は、少量および中量の生産部品の製造に適したコスト効率の高い技術です。これらの理由から、MAM は航空宇宙、自動車、医療、エネルギー分野の高性能コンポーネントの設計と製造における新しいパラダイムとして広く受け入れられ、認識されています。

このレビュー記事の主な目的は 2 つあります。 1 つ目は、特に固体、液体、ワイヤ、粉末技術の原理と機能に関して、MAM 技術の開発を提供することです。さらに、各プロセスの機械的特性、プロセスの可能性、品質の側面についても説明します。 2 番目のステップは、時間、コスト、品質の三角形に基づいてさまざまなプロセスパラメータを比較することです。

2. MAMの歴史と進化
AM プロセスは、部品の迅速な生産に大きな利点をもたらし、また、幅広い利用可能な材料から単一のコンポーネントまたは複数のコンポーネントを製造できるため、比類のない設計の自由度も提供します。 Terry Wohlers 氏と Tim Gornet 氏は、MAM プロセスの開発について簡単に説明します。このプロセスでは、レーザー光源を使用して、主にプロトタイプ作成用に UV 光に敏感な液体ポリマーの薄い層を効率的に硬化させる技術であるステレオリソグラフィー (SL) が工業用部品の製造に商品化されました。 SLA-1 は、1987 年に 3D Systems 社によって開発され商品化された世界初のステレオリソグラフィーシステムです。その後、多くの組織がステレオリソグラフィーシステムを開発し、商業市場に導入しました。 EOS と 3D Systems は、他の組織によるステレオリソグラフィーシステムの開発において主導的な役割を果たしてきました。 STEREOS 400は1990年代にEOS[5]によって開発され販売されました。 Quadrax はこの時期に、可視光樹脂ポリマー材料を使用してプロトタイプ部品を作成する Mark 1000 SL システムも導入しました。

金属堆積プロセスによって作成されたさまざまな厚さのニッケルフォームサンプルの SEM 画像: (a) 薄いニッケル層、(b) 厚いニッケル層。
金属堆積型多孔質金属は、オープンセルポリマーフォーム上に原子金属を堆積させ、その後ポリマーを除去して焼結することによって生成されます。これらの金属の主な特徴としては、相互接続された細孔、高い多孔性、および 3 次元ネットワーク構造が挙げられます。多孔質材料は多孔質金属材料の中でも非常に重要なタイプであり、優れた性能を持つ新しいタイプの機能・構造一体型材料です。特定の条件下で使用した場合、その利点は、低密度、高多孔性、大きな比表面積、良好な細孔連結性、均一な構造であり、他のタイプの多孔質金属では実現が困難です。しかし、この特性により、金属堆積多孔質金属の強度にも一定の制限が課せられます。これらの材料は 1970 年代に初めて製造され、利用され、その後 1980 年代にはさまざまな用途やニーズに合わせて急速に開発されました。現在、これらの多孔質材料は多くの国で大規模に生産されており、ニッケルおよび銅のフォーム製品は通常、電着プロセスによって生産されています。この金属フォームは上の写真に示されています。

金属部品の焼入れ・焼戻し技術は1990年代初頭に開発されました。最初のステップは、EOS 組織が研究開発会社 Electrolux と協力協定を結び、DMLS 技術を共同開発することでした。このコラボレーションの成果として、金属部品向けの初の直接金属積層造形システムである EOSINT m160 が商品化されました。その後、Stratasys の Fused Deposition Modeling (FDM)、Cubital の Solid Ground Concrete (SGC)、Helisys の Laminated Object Manufacturing (LOM) の 3 つの新しい AM 技術が 1991 年に商品化されました。 FDM プロセスでは、熱可塑性材料をフィラメントの形で押し出して、層ごとに部品を製造します。 SGC は、液体フォトポリマーを使用して 3D 構造を構築するプロセスであり、ステレオリソグラフィーに似ており、「ソルジャー」と呼ばれることもあります。 LOM テクノロジーは、デジタル誘導レーザー光源を使用して、薄いシート状の材料または金属箔の層を結合することで、3 次元の金属部品を作成します。

DTM は現在 3D Systems の一部であり、Solidform Systems は 1992 年に SLS を導入しました。この技術では、レーザービームを熱源として使用し、粉末材料を溶かします。 1993 年、MIT はダイレクトキャストシェルコーティング (DSPC) 技術を開発し、特許を取得しました。この技術も Soligen Technologies によって商品化されました。またこの時期に、デンケンのSLは固体レーザーシステムを導入しました。 EOS は 1994 年に、DLMS テクノロジに基づいた機能を備えたプロトタイプ EOSINT M160 を発表しました。その後、1995 年に EOS 組織は金属部品の製造機能を備えた EOSINT M25O システムを立ち上げました。 1996 年に Startasys と IBM Watson Research Center によって開発されたこのマシンは、材料押し出しプロセスの原理を使用してカスタム部品を作成します。さらに、この期間中に、Z-Corp は、デンプンと石膏ベースの粉末材料と水性液体バインダーを使用して 3D モデルを作成する Z402 3D プリンターを発売しました。「AeroMet」という組織は1997年に設立され、高出力レーザー光源を使用してさまざまな粉末材料（特に粉末チタン合金）を加工するレーザー積層造形システムを開発しました。 1998 年、米国のサンディア国立研究所は、Laser Engineered Net Shaping (LENS) と呼ばれる金属粉末ベースの技術を開発し、後に Optomec によって商品化されました。 Optomec は、粉末注入レーザーエネルギー堆積技術を使用する粉末レーザー相互作用ベースの AM システムを 1998 年に発売しました。その後、Trumpf や DMG などの民間メーカーが、次の 20 年間にわたって DED 技術の開発で主導的な役割を果たしました。

その後、1999年に、ドイツに拠点を置くローダーズ社は、ドイツのフラウンホーファー研究所が開発した制御金属被覆（CMB）装置を導入しました。また、この時期に、Extrude Hone 組織 (現在の Ex One) は、主に金属部品や高価な工具の製造に使用される Pro-metal Rapid Tooling System RTS-300 を開発し、商品化しました。 2001年、ドイツのフォッケレ・シュヴァルツェ社はフラウンホーファー研究所で鋼粉をベースにした選択的レーザー溶融システムを開発しました。さらに、CONCEPT LASER は、材料の無駄を最小限に抑えて 3D コンポーネントを製造するレーザー硬化技術を開発しました。さらに、スウェーデンのARCAMは、高出力電子ビーム源を使用してカスタマイズされた金属部品を作成する電子ビーム粉末床溶融結合技術を開発し、商品化しました。 2003 年、TRUMPF はレーザーエネルギーを使用して金属合金を直接融合する Powder Bed Fusion (PBF) 技術を商品化しました。同じ時期に、アメリカのソニー・プレシジョン・テクノロジー社は、部品の迅速な生産のためにステレオリソグラフィーを導入しました。その後、Solidscape は T612 システムを導入しました。これは主に、インベストメント鋳造プロセスでワックスパターンを作成するために使用されます。

EOS は、コバルトクロム粉末材料をベースにした部品を製造できる EOS INTM 270 マシンを 2006 年に発売しました。その後、2007 年に Norsk Titanium という組織が、従来のプラズマアーク溶接から進化した AM 技術の改良版である高速プラズマ堆積技術 (RPD) を開発しました。このRPD技術は主に航空機および航空宇宙産業で使用されています。この期間中、ARCAM と EOS はそれぞれ A2 電子ビーム溶解 (EBM) マシンと Formiga P100 レーザー焼結システムを米国市場に導入しました。その後、「OBJET GEOMETRIES」は2008年にMulti-Jet MatrixテクノロジーをベースにしたマルチマテリアルConnex500 3Dプリンターを発売しました。さらに、同じ時期に、MTT は 2008 年に英国で開催されたイベントで、選択的レーザー溶融 (SLM) マシンである SLM 250-300 を商品化しました。その後、EOSとCookson Precious Metalsは、貴金属合金を使用したジュエリーを製造するEOS-Mシリーズの機械を開発し、2012年に発売しました。その後、2015 年初頭には、多くの上場 AM 企業の時価総額が大幅に減少しました。それにもかかわらず、金属ベースの PBF システムは、航空、エネルギー、ガス、石油業界では依然として強い地位を維持しています。

Desktop Metal と HP は 2016 年に商業市場に参入し、金属バインダージェッティング技術 (BJT) を商品化しました。金属BJTシステムは、2019年にテスト顧客段階に設置されました。一方、この間、GE Aviation は PBF-EB の可能性を認識し、カスタマイズされた航空機部品を製造するための追加システムに投資しました。 2020年、ジュエリーや装飾分野ではAM技術PBF-LBが取り入れられ、経済的な観点からカスタムジュエリーデザインが製造されるようになりました。さらに、オーストリアのグラーツ工科大学は、LED ベースの金属積層造形と呼ばれる新しい MAM 技術を導入しました。この技術は、時間のかかる大規模な金属部品の製造と部品の手作業による再加工という 2 つの大きな問題を解決するのに役立ちます。これらの問題は、LED光源を使用した金属粉末ターゲット溶融技術によって解決されます。図 1 は、前述の MAM プロセスの歴史と進化を明確に示しています。

図1 MAMプロセスの歴史と発展。
3. MAM技術の概要 前述の通り、製品の品質、製品サイズ、製品形状、製品製造リードタイムなど、お客様の製品に対する要求は高まってきています。クライアントの主な要件は、可能な限り短い製造時間で高品質のカスタム製品を提供することでした。これにより AM が急速に発展し、後に MAM へと進化した技術となりました。 MAM は、図 2 に示すように、原材料の違いにより、液体 AM、固体 AM、線状 AM、粉末 AM の 4 種類に分類されます。表 1 は、MAM プロセスの特性、利点、メカニズム、および独自の機能を比較しています。

図2 原材料に基づくMAMプロセスの分類
表1 MAMプロセスのプロセス特性の比較。
4. プロセスパラメータと機械的特性の比較 前述したように、製造される製品には考慮すべき重要なパラメータが多数あります。これには、製品のサイズ、製品の形、製品の形状、製品の材質が含まれます。すべての製造業では、製品の製造が始まる前に、プロセスの潜在能力や能力が明確かつ詳細に研究されます。これらの製造プロセスは本質的に動的であるため、製品の特性に応じて最適化する必要があります。同様に、MAM 業界でも実施されています。すべての MAM プロセスには独自の隠れた可能性や機能があるため、各プロセスの可能性を理解する必要があります。

4.1 時間・コスト・品質の三角形各金属付加製造プロセスの可能性を明確に理解するために、図 3 に示すように、時間・コスト・品質の三角形 (プロジェクト管理三角形とも呼ばれる) を使用して、各プロセスの機能を分析および比較することをお勧めします。各プロセスは、品質特性、部品成形速度、微細構造特性に基づいて比較する必要があります。さらに、すべての機能を 1 つのグラフで比較することは困難であり、機能間で区分を行う必要があります。表 2 では市販の AM システムの構築特性を比較し、表 3 では AM 技術を使用して製造された材料の物理的特性と機械的特性を比較しています。

図 3 時間・コスト・品質の三角形。
表2 MAMプロセス構築特性の比較。
表 3 は、AM 技術を使用して作成された材料の物理的特性と機械的特性を比較したものです。
4.1.1 品質

あらゆる製造業の主な目標は、生産コストを削減して高品質の製品を製造することです。品質にはさまざまな定義がありますが、簡単に言えば、顧客満足度やニーズです。寸法精度、表面品質、材質、機械的特性などの詳細な製品または部品の仕様データは、顧客が入手すべき主な重要な要素です。

4.1.1.1 表面品質通常、MAM 技術を使用して製造された製品または部品は、部品の外側表面に未結合の溶融粒子が存在するため、粒状の外観構造を持ちます。ほとんどの場合、粉末床ベースのプロセスの平均表面粗さは 15 mm 未満です。 SLS および DMLS で後処理された部品は、後処理なしの SLS および DMLS と比較して表面仕上げが向上します。なぜなら、EBM プロセスアルゴリズムの粗さの範囲は 25 ～ 35 mm であるのに対し、DED テクノロジーは Ra 値が 10 ～ 25 mm のより滑らかな表面を生成するからです。

4.1.1.2 寸法精度 SLA 技術を使用して加工された部品の寸法精度は ±0.15% で、下限は ±0.01 mm です。 SLS は、寸法精度 ±0.3%、下限 0.3 mm の複雑な形状の部品を製造するためによく使用される精密加工プロセスです。さらに、SLS、DMLS、SLM テクノロジーでは、長さ 100 mm で最小寸法誤差が 0.1 mm 未満の部品を製造できます。 SLA は 1000cm3 未満の精度で部品を製造しますが、SLS は 1000cm3 を超える構築体積で高精度の部品を製造します。

マテリアルジェッティングは、寸法許容差が ±0.1% の最も正確な 3D 印刷プロセスです。さらに、高温用途で使用される材料、特にチタン合金の場合、EBM の寸法精度は粉末ベースのプロセスの半分になります。しかし、レーザー成形プロセスの寸法精度は、高温用途の材料では劣ります。

4.1.2 時間これは、各プロセスの生産速度、または MAM 技術の確立速度を意味します。この生産率は、物理的材料特性、機械の構築速度、機能、およびその他のさまざまな要因によって大きく異なります。さらに、これらは納期に影響を与える主な要因です。

SLS (120〜125 cm3/時) や DMLS (100〜120 cm3/時) などの粉末ベースの MAM 技術は、SLM (最大 113 cm3/時) よりも蓄積速度が高くなります。 SLM プロセスと同様に、DMD (50-110 cm3/hr) および LAM (16-250 cm3/hr) は構築速度が速く、非多孔性の部品を製造できます。 DMLS プロセスと SLS プロセスの構築速度は似ており、ほぼ完全な密度の部品を実現するには後処理が必要です。 EBM・DED技術は、特別な仕上げをすることなく、迅速に部品を製造できる技術です。

4.1.3 コスト製品の製造コストは、機械の稼働コスト、機械の時間率、原材料費、その他の消耗品コストによって決まります。製造時間も製品コストに影響し、プロセスの性質や機械の能力によって大きく異なります。一般的に、製品は中容量の造形キャビティで作られており、パウダーベースが最も安価で、EBM と DED が最も高価です。

5. まとめ 主な観察結果は次のように要約されます。
長年にわたり、このプロセスは金属、合金、セラミック、ポリマーなどさまざまな材料に拡大されてきました。付加製造は、選択的レーザー溶融法、熱溶解積層法、電子ビーム溶融法などの一般的な技術として商品化されており、自動車、航空宇宙、生物医学、建設などのさまざまな業界で使用されています。 AM プロセスは、EOS、POM Organization、Stratasys、IBM、HP、Aeromet、Hellisys、Fraunhofer などの先駆的な企業によってさらに開発され、商品化されています。

金属積層造形の普及により、製造業の世界に幅広い新たな可能性がもたらされました。さらに、モデリング科学、製造、材料処理における最近の進歩により、AM の焦点はラピッドプロトタイピングから金属部品の直接製造へと移行しています。 MAM は、原材料に応じて、液体ベース、固体ベース、線形ベース、固体ベースの 4 つのカテゴリに分類されます。 MAM プロセスの商用バリエーションがいくつか開発され、重要な高価な部品の修理や再加工などの新しい用途が見つかりました。さらに、MAM プロセスでは、鍛造や鋳造に比較的類似した物理的メカニズムを備えた部品が製造されます。

結果は、プロセスパラメータと MAM プロセスタイプが堆積された材料の機械的特性に大きな影響を与えることを示しています。 SLS、EBM、DMLS と比較すると、DED によって生成された表面はアルゴリズムの粗さが優れています。一方、SLS と DMLS は、SLM、LAM、DED よりもビルド速度が速くなります。さらに、PBFプロセスを採用すると、製品の製造コストも低くなります。ただし、EBM および DED 技術で製造された製品は、製品開発コストが高くなることが観察されています。

6. 結論 この記事では、主な金属 AM プロセスの詳細な説明と、ワイヤ AM、バインダージェッティング、粉末床溶融結合、粉末直接エネルギー堆積などの金属 AM プロセスの開発の図解と詳細な説明を提供します。さらに、これらの技術は、使用される原材料に基づいて、液体ベース AM、固体ベース AM、ワイヤベース AM、粉末ベース AM、直接エネルギー堆積ベース AM に分類されます。各 AM 技術について、さまざまな材料用途に対してさまざまなプロセスパラメータが比較されました。さらに、本稿では、さまざまな AM 技術のさまざまな材料への応用と機械的特性についても簡単に紹介します。さまざまな MAM プロセスを検討すると、次のような結論を導き出すことができます。

•液体金属 3D 印刷プロセスと比較して、固体成形プロセスでは複雑な幾何学的部品を製造できます。

•LOMやUAMなどのソリッドベースのMAMプロセスは、表面粗さ14μmの堅牢な設計を生み出す能力を備えています。

• ワイヤレーザー積層造形は、他のワイヤ AM プロセスと比較して伸び率が高くなります。

•粉末ベースの MAM プロセスにより、構築速度が速く、製品コストが低いコンポーネントの製造が可能になります。このため、粉末ベースのプロセスは、重要かつ高価な部品の製造および再加工に広く使用されるようになりました。

出典: 最先端の金属付加製造プロセスの進化と技術に関するレビュー、materialstoday、doi.org/10.1016/j.matpr.2021.02.567
参考文献: C. Deckard、「選択的焼結による部品製造方法および装置」、米国特許 (1986 年 10 月)。「積層造形の背景」https://www.metal-am.com/introduction-manufacturing/ (2020 年 12 月 10 日アクセス)。

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