金属用3Dプリンターの特徴・加工方式
2022年10月26日
一口に金属3Dプリンターといっても、その方式は様々です。造形方式によって、使用可能な材料種、造形可能な形状、大きさ、後加工の方法等大きく変わるため、適切な方式を選択することが重要です。ここでは、主要となる3つの造形方式をご紹介します。
PBF（Powder Bed Fusion）方式
PBFは「粉末床溶融結合」と訳される方式です。機器内部のエリア全体に、細かな金属の粉末を薄く敷き詰め、レーザービームや電子ビームを等で加熱して部分的に融かして結合させ、それを繰り返して積層させてゆき、造形物を作ります。3Dプリンティングらしく複雑な造形が可能な一方で、光の反射率が高いアルミ・銅などの材料を苦手とし、材料である金属粉末の一部は空気に触れると燃焼する危険があるため、高価な保護具や粉塵爆発を防ぐ設備、酸化を防ぐ不活性ガスの重点・管理など、大規模な設備と装置が必要となります。さらに、使用済みの金属粉末はリユース可能な一部を除いて廃棄が求められる場合があり、材料を交換するだけでも専門家による大規模なメンテナンスが要ります。
DED（Directed Energy Deposition）方式
DEDは「指向性エネルギー堆積法」と呼ばれる方式で、PD（Powder Deposition）方式と呼ばれることもあります。PBF方式と根本的な手法と使用エネルギーは共通しており、どちらもレーザーや電子ビームなどで金属材料を溶融させ、積層してゆきます。
しかし、PBFが一層ずつ全体に粉末を敷き詰めてゆくのに対し、DEDは照射する予定の場所にのみに絞って材料を配置させる点が大きく異なります。そのため、より少ない材料で済むメリットがある一方、積層部分へのより的確な材料供給が必要になります。
上記の特徴から積層部分が大ぶりな方が安定して造形できるため、DED方式が得意なのは、比較的大型で単純な形状の製造です。また、局所的に材料を継ぎ足してゆくことができるため、既存製品の補修を行うことも可能な方式です。
DED方式の派生として、W-LMDと呼ばれる方式も注目されています。「レーザー金属堆積」とも呼ぶべき方式で、金属ワイヤーにレーザーを照射することでメルトプール（溶接個所）を生成します。連続して金属ワイヤーの供給を行い、溶接ビードの層を正確に積み重ねることによって造形してゆきます。
金属粉末ではなく金属ワイヤーを使用する点が大きな特徴で、他の金属材料よりも安価で、より早く金属部品を造形することが可能です。粉塵爆発や材料酸化を回避するための大規模な設備も不要で、扱いの面でもより簡便とされています。
また、アーク放電を利用するWAAM（下記WAMの項）と比較しても、局所的に金属を溶解させるため、造形精度はより高くなり、エネルギー量が抑えられるため反りが抑制され、後処理の時間も短縮できます。
WAM（Wire Additive Manufacturing）方式
日本語では「ワイヤー積層造形方式」と呼ばれる、溶接の肉盛りを応用した3Dプリンティング手法です。アーク放電を用いるため、WAAM（Wire and Arc Additive Manufacturing）方式と呼ばれる場合もあります。金属のワイヤーをアーク放電によって融かし、積層造形していきます。大ぶりな造形になってしまいますが、PBF方式と比較して高速な造形が可能で、対応している金属材料が豊富です。ただし、精度が求められる部分には切削や研磨が不可欠のため、既存の切削加工手法とほぼ同じ形状的制約を受けます。形状の複雑さよりも高速さと造形物の大きさを優先した方式といえるでしょう。
ADAM（Atomic Diffusion Additive Manufacturing, MIM×FFF）方式
ADAM方式は「原子拡散積層造形法」とも訳される方式で、プラスチック素材の3Dプリンターで活用されているFFF*（Fused Filament Fabrication：積層造形）と、金属を型成形するMIM（Metal Injection Molding：金属粉末射出成型法）を掛け合わせたものです。
まず、熱で溶ける蝋と金属粉を混ぜた専用の素材を用いて、FFFによる3Dプリントを行い、グリーンパーツと呼ばれる成形物を得ます。このグリーンパーツは蝋と金属粉が混ざった状態なので、蝋を洗浄して除去した後、成形物を高熱の炉で焼結させることで、シルバーパーツと呼ばれる完成品を得ます。この焼結過程で成形物が縮小するため、3Dプリンターで造形するグリーンパーツは、最終形状より少し大きめに変換した3Dデータを用いるという特徴があります。
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PBF（Powder Bed Fusion）方式
PBFは「粉末床溶融結合」と訳される方式です。機器内部のエリア全体に、細かな金属の粉末を薄く敷き詰め、レーザービームや電子ビームを等で加熱して部分的に融かして結合させ、それを繰り返して積層させてゆき、造形物を作ります。3Dプリンティングらしく複雑な造形が可能な一方で、光の反射率が高いアルミ・銅などの材料を苦手とし、材料である金属粉末の一部は空気に触れると燃焼する危険があるため、高価な保護具や粉塵爆発を防ぐ設備、酸化を防ぐ不活性ガスの重点・管理など、大規模な設備と装置が必要となります。さらに、使用済みの金属粉末はリユース可能な一部を除いて廃棄が求められる場合があり、材料を交換するだけでも専門家による大規模なメンテナンスが要ります。
DED（Directed Energy Deposition）方式
DEDは「指向性エネルギー堆積法」と呼ばれる方式で、PD（Powder Deposition）方式と呼ばれることもあります。PBF方式と根本的な手法と使用エネルギーは共通しており、どちらもレーザーや電子ビームなどで金属材料を溶融させ、積層してゆきます。
しかし、PBFが一層ずつ全体に粉末を敷き詰めてゆくのに対し、DEDは照射する予定の場所にのみに絞って材料を配置させる点が大きく異なります。そのため、より少ない材料で済むメリットがある一方、積層部分へのより的確な材料供給が必要になります。
上記の特徴から積層部分が大ぶりな方が安定して造形できるため、DED方式が得意なのは、比較的大型で単純な形状の製造です。また、局所的に材料を継ぎ足してゆくことができるため、既存製品の補修を行うことも可能な方式です。
DED方式の派生として、W-LMDと呼ばれる方式も注目されています。「レーザー金属堆積」とも呼ぶべき方式で、金属ワイヤーにレーザーを照射することでメルトプール（溶接個所）を生成します。連続して金属ワイヤーの供給を行い、溶接ビードの層を正確に積み重ねることによって造形してゆきます。
金属粉末ではなく金属ワイヤーを使用する点が大きな特徴で、他の金属材料よりも安価で、より早く金属部品を造形することが可能です。粉塵爆発や材料酸化を回避するための大規模な設備も不要で、扱いの面でもより簡便とされています。
また、アーク放電を利用するWAAM（下記WAMの項）と比較しても、局所的に金属を溶解させるため、造形精度はより高くなり、エネルギー量が抑えられるため反りが抑制され、後処理の時間も短縮できます。
WAM（Wire Additive Manufacturing）方式
日本語では「ワイヤー積層造形方式」と呼ばれる、溶接の肉盛りを応用した3Dプリンティング手法です。アーク放電を用いるため、WAAM（Wire and Arc Additive Manufacturing）方式と呼ばれる場合もあります。金属のワイヤーをアーク放電によって融かし、積層造形していきます。大ぶりな造形になってしまいますが、PBF方式と比較して高速な造形が可能で、対応している金属材料が豊富です。ただし、精度が求められる部分には切削や研磨が不可欠のため、既存の切削加工手法とほぼ同じ形状的制約を受けます。形状の複雑さよりも高速さと造形物の大きさを優先した方式といえるでしょう。
ADAM（Atomic Diffusion Additive Manufacturing, MIM×FFF）方式
ADAM方式は「原子拡散積層造形法」とも訳される方式で、プラスチック素材の3Dプリンターで活用されているFFF*（Fused Filament Fabrication：積層造形）と、金属を型成形するMIM（Metal Injection Molding：金属粉末射出成型法）を掛け合わせたものです。
まず、熱で溶ける蝋と金属粉を混ぜた専用の素材を用いて、FFFによる3Dプリントを行い、グリーンパーツと呼ばれる成形物を得ます。このグリーンパーツは蝋と金属粉が混ざった状態なので、蝋を洗浄して除去した後、成形物を高熱の炉で焼結させることで、シルバーパーツと呼ばれる完成品を得ます。この焼結過程で成形物が縮小するため、3Dプリンターで造形するグリーンパーツは、最終形状より少し大きめに変換した3Dデータを用いるという特徴があります。
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Posted by christopher at 15:22│Comments(0)
