技術的な投稿です！金属 3D プリント: 一般的なタイプの概要

はじめに: 金属 3D プリントは、あらゆる 3D プリントの最高峰と考えられています。強度と耐久性に関しては、金属に勝るものはありません。金属 3D プリントに関する最も古い特許は、1990 年代にドイツの EOS 社が取得した DMLS (直接金属レーザー焼結) でした。それ以来、金属 3D プリントはさまざまなタイプの印刷プロセスに進化してきました。現在、すべての金属 3D プリンターは、通常、粉末床溶融結合、バインダージェッティング、直接エネルギー堆積、材料押し出しの 4 つのプロセスカテゴリのいずれかを使用します。
△金属3Dプリント
金属粉末ベッド融合南極クマ 3D 印刷ネットワークコメント: これは最も人気のあるタイプの金属 3D 印刷技術です。
一般的なプロセス: DMLS (直接金属レーザー焼結)、SLM (選択的レーザー溶融)、EBM (電子ビーム溶融)。説明: PBF 溶解技術を使用して製造された金属部品は、残留応力と内部欠陥が非常に低いため、航空宇宙産業や自動車産業の厳しい用途に最適です。

直接金属レーザー焼結法 (DMLS): ほぼあらゆる金属合金から物体を造形できます。直接金属レーザー焼結法では、印刷する表面全体に非常に薄い金属粉末の層を広げます。レーザーをゆっくりと安定して表面に当てることで、この粉末を焼結し、完全に溶融状態になるまで加熱しなくても金属の内部粒子を融合させます。次に、追加の粉末層を塗布して焼結し、一度に 1 つの断面をオブジェクトに「印刷」します。印刷されると、オブジェクトはゆっくりと冷却され、余分な粉末はビルドチャンバーから回収され、リサイクルされます。 DMLS の主な利点は、残留応力や内部欠陥のないオブジェクトを生成できることです。これは、高応力を受ける金属部品 (航空宇宙部品や自動車部品など) にとって非常に重要ですが、主な欠点は非常に高価なことです。
選択的レーザー溶融法 (SLM): 高出力レーザーを使用して、金属粉末を単に焼結するのではなく、各層を完全に溶融し、非常に密度が高く強度の高い印刷物を生成します。現在、このプロセスはステンレス鋼、工具鋼、チタン、コバルトクロム合金、アルミニウムなどの特定の金属にのみ使用できます。 SLM 製造中に発生する高温勾配により、最終製品内に応力やずれが生じ、物理的特性が損なわれる可能性もあります。
電子ビーム溶融法 (EBM): 選択的レーザー溶融法と非常によく似ており、高密度の金属構造を生成できます。 2 つの技術の違いは、EBM では金属粉末を溶かすのにレーザーではなく電子ビームを使用する点です。現在、電子ビーム溶解は限られた数の金属にのみ使用できます。このプロセスの主な原材料はチタン合金ですが、コバルトクロム合金も使用できます。この技術は主に航空宇宙産業の部品の製造に使用されます。

技術的な利点:ほぼあらゆる形状を高精度で製造できます。従来の製造技術では加工が難しい、最も軽いチタン合金や最も強力なニッケル耐熱合金など、幅広い金属が使用されています。機械的特性は鍛造金属に匹敵し、従来製造された金属部品と同様に機械加工、コーティング、処理が可能です。技術的な欠点:材料、機械、運用コストが高い。部品は、反りを防ぐためにサポート構造を介してビルドプレートに取り付ける必要があり、これによりスクラップ材料が生成され、後処理で手作業で除去する必要があります。造形サイズは制限されており、金属粉末の取り扱いは危険であるため、厳格なプロセス制御が必要です。
△PBF粉末床溶融結合
金属バインダージェッティング
一般的なプロセス: MJF (マルチジェットフュージョン)、NPJ (ナノ粒子ジェッティング)説明:この技術では、インクジェットを使用して、バインダーを平らな粉末床に選択的に滴下します。滴が当たった部分は固まり、残りの粉末は緩んだままになります。上記の手順は、オブジェクト全体が生成されるまでレイヤーごとに実行されます。このプロセスを使用して、金属、砂、セラミックなどの材料を処理できます。金属バインダージェッティングは室温で行われるため、反りが発生せず、サポートも必要ありません。その結果、バインダージェッティングマシンはパウダーベッドフュージョンマシンよりもはるかに大きく、オブジェクトを積み重ねてビルドチャンバー全体を完全に活用できるため、少量生産やオンデマンド製造によく選ばれています。技術的な利点:大量に印刷でき、パーツをビルドプレートに取り付ける必要がないため、ネストして利用可能なすべてのビルドボリュームを活用できます。形状に対する制限が少なく、通常はサポートは必要ありません。反りが発生しないので、より大きな部品を作ることができます。印刷速度は非常に速く、コストは粉末床溶融金属印刷よりも低くなります。技術的な欠点:部品は印刷後に時間のかかる脱脂および炉焼結プロセスを経る必要があり、機械と材料のコストが高くなります。多孔度は粉末床溶融結合法よりも高いため、機械的特性はそれほど良くなく、材料の選択肢も少なくなります。
△バインダージェット3Dプリンター
直接エネルギー蓄積
一般的なプロセス: DED (直接金属堆積)、WAAM (ワイヤアーク積層造形)、LMD (レーザー材料堆積)説明:この方法では、粉末またはワイヤのいずれかの金属を押し出し、その後すぐに高エネルギーを加えます (溶融はプラズマアーク、レーザー、または電子ビームによって実現できます)。エネルギーによって金属が溶け、溶融池はすぐに 3D 空間に落下し、ロボットアームによって位置が調整されます。これは溶接と非常によく似ているため、既存の金属部品の修理や部品への機能追加が主な用途の 1 つです。技術的な利点:ワイヤーは金属 3D プリント材料の中で最も手頃な形態であり、一部のマシンでは 2 種類の異なる金属粉末を使用して合金や材料の勾配を作成することもできます。 5 軸および 6 軸モーションにより、サポート材料を使用せずにモデルを製造できます。損傷した金属部品を修理し、新しい部品を追加することができます。大きな造形体積、効率的な材料使用、高い部品密度、優れた機械的特性、高速印刷速度。技術的な欠点:部品の表面品質が悪く、通常は機械加工と仕上げが必要で、細かい部分を実現するのは困難または不可能です。機械コストと運用コストが高い。
△レーザー金属積層造形（LMD）
金属材料の押し出し
一般的なプロセス: FDM (熱溶解積層法) / FFF (熱溶解フィラメント製造法)説明:このテクノロジーは、安価な金属 3D 印刷を可能にするために特別に開発されたもので、中小企業でも使用できます。デザインスタジオ、機械工場、小規模製造業者は、金属押出機を使用して設計を繰り返し、治具や固定具を作成し、少量生産を完了します。この分野の最新の開発は金属フィラメントであり、ほとんどのデスクトップ FDM 3D プリンターで使用できるため、ほぼすべての人が金属 3D プリントを利用できるようになります。金属押し出しの動作原理:

小さな金属粒子を含浸させたポリマーフィラメントまたはワイヤを、設計された形状に従って層ごとに 3D プリントします。
3D プリントした部品を洗浄して、接着剤の一部を除去します。
部品は焼結炉内に置かれ、そこで金属粒子が溶けて固体金属になります。

技術的な利点:手頃な価格、シンプル、安全に操作できます。技術的な欠点:部品はバインダージェット成形部品と同じ脱バインダーおよび焼結プロセスを経る必要があります。反りを防ぐためには形状とサポートに対するさらなる制限が必要であり、部品の多孔性が高く、鍛造金属と同じ機械的特性を実現することはできません。部品は PBF や DED を使用する場合ほど高密度ではなく、炉内収縮の精度も低くなります。
△ Markforged Metal X 3Dプリンターのサンプルパーツ [画像提供：Markforged]
その他の金属3Dプリントプロセス
ジュール印刷: Digital Alloys のジュール印刷は DED によく似ていますが、フィラメントはアークやビームで加熱されるのではなく、電流を使用して溶かされます。これにより、印刷速度が大幅に向上し、これまでに 1 時間あたり最大 2 kg のチタンを印刷できることが実証されています。液体金属付加製造: Vader Systems は、インクジェットプリンターと同様の方法で 1200°C の液体金属液滴を堆積する液体金属付加製造技術を開発しました。電気化学堆積: Exaddon の CERES ナノスケール金属 3D プリンターは、電気化学堆積を使用して、人間の髪の毛の幅よりも小さい金属物体を作成できます。 DLP 金属印刷: ADMATEC と Prodways は金属 DLP 印刷を提供しています。金属押し出しと同様に、金属粉末はフォトポリマー樹脂と混合され、3D プリントされた部品は金属押し出し法と同じ脱結合および焼結プロセスを経る必要があります。コールドスプレーメタルプリンティング:コールドスプレーメタルプリンティングは、もともと NASA が宇宙で金属物体を造るために使用していました。主な特徴は高速（1 時間あたり 6 kg のアルミニウムまたは銅）であることです。欠点はそれほど正確ではないことです。オーストラリアの企業 Titomic と SPEE3D がこの技術の先駆者です。超音波接合 (UAM):音を使用して金属箔の薄い層を接合し、次の箔層を接合する前に各層の余分な部分を機械加工で取り除くため、付加製造と減算製造を組み合わせたものになります。 Fabrisonic の SonicLayer 3D プリンターシリーズはこの技術を採用しています。レーザーエンジニアードネットシェーピング (LENS):非常に制御された環境を必要とするレーザーベースの方法です。このプロセスでは、酸化レベルをできるだけ低く保つために、通常はアルゴンガスを使用して酸素をパージした密閉されたチャンバーが必要です。 LENS レーザーの出力範囲は 500W から 4kW です。チタン、ステンレス鋼、インコネルの加工に使用できます。嫌気性チャンバーの維持は困難ですが、LENS はユーザーに高い精度と制御を提供します。電子ビーム自由形状製造 (EBF3):もともと NASA によって開発され、主に航空宇宙産業で使用されている方法です。この方法により、材料を無駄にすることなく複雑な形状を製造でき、軽量な形状を作成して燃料節約を促進できます。
△Digital AlloysのJoule 3Dプリントプロセス [画像提供：Digital Alloys]

参考文献: 1. 技術記事!一般的な3Dプリントのプロセスと欠陥
2. 金属3Dプリント：最も一般的なタイプの概要
3. レーザー焼結とレーザー溶融
4. 金属製造における DMLS と SLM 3D プリント
5. レーザー焼結、溶融など – SLS、SLM、DMLS、DMP、EBM、SHS
6. ワイヤーアーク積層造形法：金属用の経済的な3Dプリント
7. 3D プリントにおける指向性エネルギー堆積 (DED) の完全ガイド
8. 金属 3D プリント: 直接エネルギー堆積法とは何ですか?
9. AM 101: ナノ粒子噴射 (NPJ)
10. マルチジェットフュージョン (MJF) はどのように機能しますか?
11. 材料押し出し：金属にも対応
12. 金属3Dプリントの種類
13. 金属 3D プリント: 決定版ガイド (2019)
14. 指向性エネルギー堆積 (DED) 3D プリンティングとは何ですか?
15. レーザーエンジニアリングネットシェーピング（LENS）
16. Digital Alloys によるジュール印刷 – 高速かつ低コストの金属印刷
17. レーザー金属堆積法（LMD）
18. 3D プリントにおける電子ビーム溶融 (EBM) の完全ガイド
19. ExOne: バインダージェット金属3Dプリント技術の産業化は長期戦