金属3Dプリンターの技術は航空宇宙から医療、自動車産業に至るまで、多岐にわたる分野で革新的な変化をもたらしています。
この記事では、金属3Dプリンターの造形方法や使用される材料の種類と特性、それらがどのように産業界に影響を与えているのかについて詳しく解説します。
最先端の技術とその応用例を知りたい方だけでなく、金属3Dプリンターの導入を検討している方にとって必読の内容です。
1. 金属3Dプリンターの概要
近年あらゆる産業で3Dプリンティング技術の活用が進み、製造現場での金属3Dプリンターの利用も増加しています。
金属3Dプリンターは、3Dデータを基にレーザーや電子ビームなどのエネルギー源を用いて金属を一層ずつ積み重ねて積層造形する装置です。
CADソフトウェアによって作成された3次元モデルを装置に送信し、レーザーや電子ビームなどのエネルギー源を用いて積層造形していきます。
現在では航空宇宙、医療、自動車など多岐にわたる分野で利用されています。樹脂3Dプリンターと比較すると価格が高いため、個人用ではなく工業用途で使用されることが一般的です。
金属3Dプリンターをさらに詳しく知りたい方はこちら：
金属3Dプリンターとは？造形方式の種類とメリット、デメリットを解説
2. 金属3Dプリンターの造形方式
ここからは、金属3Dプリンターの造形方式の種類とそれぞれの特徴をまとめていきます。
パウダーベッド方式（PBF：Powder Bed Fusion）
パウダーベッド方式は、金属粉末を敷き詰め、レーザーまたは電子ビームで金属粉末を焼結または融解させて固める方法です。
最も高精度な成形が可能であり、複雑な形状の製造を実現します。
幅広い金属材料の使用が可能であり、製品の強度も非常に高いことが特徴です。ただし、時間とコストがかかる方法でもあります。
熱溶解積層方式（FDM：Fused Deposition Modeling）
熱溶解積層方式は、金属材料を溶かして押し出し、一層ずつ積み上げて固める方法です。
他の方法に比べて低コストに抑えられること、中速での造形が可能となります。
精度や強度はパウダーベッド方式に比べ劣るため、プロトタイプ製造、小規模生産向けと言えます。
バインダージェット方式（結合剤噴射方式）
バインダージェット方式は、金属粉末に液体の結合材（バインダー）を吹きつけて固化させて成形する方法です。
大型部品の製造に適しており、複雑な形状の成形も可能です。高速な造形も可能ですが、強度が弱い造形方法になります。
デポジション方式（DED：Direct Energy Deposition）
デポジション方式は、レーザーや電子ビームで金属材料を溶融した後、ノズルから噴出し積み上げる方法です。
高い構造強度と耐久性が特徴であり、大型サイズの造形が可能です。特殊な金属合金を使用でき、高速な造形も期待できます。
3. 金属3Dプリンターに利用する材料の種類と特徴
最近注目されている金属3Dプリンターは、さまざまな材料で部品や製品を製造する能力を持っています。
単にプラスチック製のモデルだけでなく、特定の強度と特性を備えた金属合金製の部品も作ることができます。
以下が一般的に利用されている材料です。
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ステンレス鋼 |
広範囲の化学・熱的性質を有し、耐食性と高い強度を持つ材料です。主に航空宇宙分野や機械部品などに使用されます。 |
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純チタン |
軽さと高い強度が特徴で、生体適合性も非常に高い材料です。航空機体や化学工業用機器などに使用されています。 |
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チタン合金 |
高温環境で必要な機械部品の製造に適しています。航空宇宙分野や医療分野に多用されています。 |
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ニッケル基合金 インコネル718 |
耐熱・耐食性を備え、航空宇宙、自動車、エネルギー産業など幅広い分野で使用される材料です。 |
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ニッケル基合金 インコネル625 |
高温環境下でも強度が落ちない特性があり、航空宇宙分野のエンジン部品などに使用されています。 |
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タングステン |
高密度と高い融点を有し、高温強度が求められる部品に使用されている金属です。 |
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マグネシウム合金 |
超軽量メタルとも呼ばれるこの材料は、軽量で強度が強いため航空宇宙分野などで使用されます。 |
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アルミ合金 |
箔やパイプ、 線材、 板材など形状を選ばず多岐に渡る用途をもつ材料。熱交換器やブレーキキャリパなどに使用されています。 |
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コバルト基合金 |
医療・歯科器具、 ガソリンエンジンのエンジンコンポーネントなどに使用されます。 |
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マルエージング鋼 |
航空・宇宙分野の構造材として開発された金属であり、強度、 耐温性、 耐酸性などの特性が非常に優れています。 |
4. 金属3Dプリンター「Meltio M450」で使える主な材料
弊社が取り扱っている金属3Dプリンター「Meltio M450」は、ワイヤーDED方式のプリンターです。
主に以下の材料の使用が可能となっています。
・ステンレス綱
・工具綱
・ニッケル基合金インコネル718
・ニッケル基合金インコネル625
・炭素鋼
・チタン合金
上記のように、既成材料を含め、ステンレスやチタンなどのさまざまな材料に対応しています。
また、現在も銅合金・アルミなどの新材料の開発も進めています。
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5. 材料選定のポイント
金属3Dプリンターでの材料選定は、製品の性能とコストを最適化する重要なプロセスです。
6. 用途に合った材料の選定方法
金属3Dプリンターは、さまざまな産業分野で使用されます。
従って目的の製品の用途に応じて、強度、耐熱性、耐食性などの特性を考慮して材料を選ぶことが必要です。
例えば、航空宇宙、医療機器、自動車などの分野においては強度や耐熱性が重視されます。
適切な材料を選ぶことで、製品の要件や性能を満たすことが可能です。
7. パラメータの最適化と材料特性の関係
材料素材の特性によっては造形条件の調整を要する場合があるため、金属3Dプリンターのパラメータと材料特性の関係を理解することが必要です。
造形パラメータの最適化によって材料の特性を最大限に引き出すことが可能です。これにより、製品の性能を向上させることができます。
この理解は、より高品質な造形結果を得るために欠かせません。
8. コストと材料品質のバランス
高品質な材料の使用はコストがかかるため、品質とコストのバランスを考慮する必要があります。
目標はコストを抑えながらも、必要な品質を確保することです。適切な材料選定によって、コストパフォーマンスを最適化できます。
9. 金属3Dプリンターで造形できる製品の種類
金属3Dプリンターを使用することで、さまざまな製品が製造できます。
以下にいくつかの例を挙げます。
・自動車部品や航空機部品
・ 医療用のインプラントや人工関節
・宝石やアクセサリー
・工業製品や機械部品
これらの製品は、金属3Dプリンターの高精度な造形技術によって作り出されます。
材料としては、ステンレス鋼、チタン、アルミニウムなどの金属を使用することが一般的です。これにより、耐久性や強度を備えた製品を製造できます。
金属3Dプリンターの技術の進歩により、製造業界は大きく変化しています。
短納期やカスタマイズ性が求められる現代の需要に応えるため、金属3Dプリンターはますます重要な存在となっていくでしょう。
10. 金属3Dプリンターと切削加工の使い分け方
金属の製造において、金属3Dプリンターと切削加工は異なる技術ですが、それぞれの特徴によって使用方法が区別されます。
金属3Dプリンターはデジタルファイルから直接物体を製造する技術で、複雑な形状や内部構造の部品、試作品の製造に適しています。
一方、切削加工は材料を削り取りながら物体を形成し、精度が高く大量生産や高精度の部品製造に向いています。
これらの技術を適切に使い分けることで、より効果的な製造プロセスを構築できるでしょう。
まとめ：材料選びでお困りの方はお気軽にご相談ください
この記事では、金属3Dプリンターの造形方式と材料の種類、選定ポイントをまとめてきました。
記事を読んでも、機種や材料の種類が幅広くどれを選べば良いのかわからないという方も多いでしょう。
わたしたち「3D PrintingCorporation」は、日本市場におけるMeltio社の金属3Dプリンターの販売を行っているほか、同プリンターを使用した造形サービスも行っております。
弊社工場見学にて、実際に実機をご覧になることも可能ですので、ご興味のある方は工場見学案内ページからお気軽にご相談ください。
また見本品の造形を50%オフで造形しておりますので、お申し込み時にデータをお送りください。
ご予約お待ちしております。
記事内でもご紹介した金属3Dプリンター「Meltio」は、3DPrinting Corporationが運営しているオンラインストアで販売しております。
Meltio詳細情報：Meltio450、Meltio Engine
