近年では、樹脂材料を用いた家庭用3Dプリンターだけでなく、金属材料を使用する「金属3Dプリンター」も注目されています。

1層ごとに造形する方法のため、切削加工や鋳造などで加工が難しい形状にも適用可能です。主に航空宇宙分野や医療分野で導入が進み、金属3Dプリンターならではのメリットが活用されています。

金属3Dプリンターのメリットやデメリット、実際に活用されている業界について解説します。

金属3Dプリンターとは

金属3Dプリンターとは、3次元CADデータを基にチタン・アルミニウム・ステンレスなどの金属材料を造形する装置のことです。

一般的に3Dプリンターは、樹脂を材料にして造形する装置が普及しており、高価な金属3Dプリンターを導入している企業は少ないのが現状です。

金属3Dプリンターは、専用ソフトで作った断面スライスデータに基づき、1層ごとに金属材料を結合させて積層をくり返すことで、任意形状の造形体を作製します。

金属材料を必要な箇所に付け足す製造プロセスのため、切削加工では作製できない「メッシュ構造」や「中空構造」の部品にも適用可能です。

金属3Dプリンターには様々な種類があり、代表的な造形方法は以下の4つです。

• パウダーベッド方式
• 指向性エネルギー堆積方式
• 熱溶解積層方式
• バインダージェット方式

この中でも「パウダーベッド方式」と「指向性エネルギー堆積方式」が主に使用されています。最近は「バインダージェッティング方式」にも注目されており、製品の形状や材料に合わせて適切な使い分けが重要です。

それぞれの造形方法について、詳しく解説します。

パウダーベッド方式

パウダーベッド方式は、金属粉末を敷き詰めた粉末床（パウダーベッド）にビームを照射し、1層ごとに溶融・凝固をくり返す造形方法です。

パウダーベッド方式で造形した後、ビーム照射されなかった粉末は回収され、ふるいにかけることで再利用できるため、材料ロスを防げる特徴があります。

ビームには「レーザー」と「電子ビーム」の2種類があり、それぞれの熱源によって得られる造形体の特性は異なります。

例えば、レーザーを使用する場合は電子ビーム方式に比べて、表面が滑らかな造形体を作製できますが、レーザービームを吸収しにくい材料への適用は困難です。

また使用する金属粉末は、敷き詰めやすくするために、真球度が高くて流れやすい性質が好まれます。そのため一般的に使用される原料は、不活性ガスを用いて作製する「ガスアトマイズ法」で得られた球状粉末です。

指向性エネルギー堆積方式

指向性エネルギー堆積方式では、粉末やワイヤーなどを供給しながらレーザーや電子ビームで溶融し、堆積することで造形体を作製します。

一般的には粉末が用いられ、不活性ガスによって供給されます。供給される材料は無駄なく造形体に使用されるため、材料ロスは少なく歩留まりが良い製造プロセスです。

従来は金属パーツの補修に使用されていましたが、単純な形状であれば大型部品も造形できるため、航空宇宙分野への適用が検討されています。

また、装置開発も進んでおり、現在では造形と切削加工を組み合わせた装置が販売されています。この装置を用いると造形中に表面を加工できるので、後処理が不要になることがメリットです。

熱溶解積層方式

熱溶解積層方式は「材料押出し」とも呼ばれ、熱可塑性樹脂に金属粉末を入れて、熱で溶かしながら積層する造形方法です。

加熱によって軟らかくなる熱可塑性樹脂を使用することで、自由に形状を制御できます。ただし造形後に樹脂が残るため、脱脂と呼ばれる工程で樹脂を取り除きます。

脱脂した造形体を焼結し、金属粉末を固めると造形は完了です。

焼結すると樹脂が抜けるため、隙間がなくなり体積は約20%収縮します。したがって、収縮分を考慮してCADデータを設計し、造形することが大切です。

熱溶解積層方式は従来、樹脂用の3Dプリンターとして用いられてきました。詳細を知りたい方は、こちらの記事を参考にしてください。

<<【参考記事】3Dプリンターとは？活用事例を交えて仕組みや使用方法について簡単に解説

バインダージェット方式

バインダージェット方式は金属粉末に対して、液体の結合剤「バインダー」をノズルから噴射し造形する方法。1層ごとに結合剤の噴射・固化が完了すると、造形プレートを下げて再び粉末を敷き詰めます。

このプロセスをくり返し、最後に高温炉やヒーターなどで焼結させて、結合剤を取り除きます。このとき造形体が約20%収縮するため、造形する際は体積変化を踏まえた検討が重要です。

バインダージェット方式で作製した造形体は、パウダーベッド方式に比べると密度が低くなる傾向にあり、実用化への課題となっています。

現在では、微細形状を有する小型部品の試作に用いられる造形方法です。

金属3Dプリンターのメリット

金属3Dプリンターは、従来の切削加工や鋳造、鍛造といった加工方法にはないメリットを有しており、今後さらなる技術発展に期待が寄せられています。

金属3Dプリンターの主なメリットは、次の3つです。

• 複雑な形状にも対応可能
• 試作品や小ロット品の短納期製造
• コストの削減により、気軽に試作品を製作できる

それぞれのメリットについて、詳しく解説します。

複雑な形状にも対応可能

金属3Dプリンターは従来の加工方法と異なり、複雑な形状にも対応可能です。

例えば鋳造で製品を作る場合、型の中に溶かした金属を充填させるため、肉厚をある程度盛る必要があります。切削加工においても、金属の塊から刃物を使って削るので、製品の形状は制限されてしまいます。

一方で金属3Dプリンターは、1層ずつ材料を積み重ねて造形するプロセスのため、製品形状は制限されにくいことがメリットです。

そのため、従来の加工方法では作製できなかった形状でも、金属3Dプリンターを適用することで造形できる可能性があります。

試作品や小ロット品の短納期製造

金属3Dプリンターを使用すると、試作品や小ロット品を短時間で製造できます。

鋳造・鍛造プロセスでは、一つの製品を作るために専用金型を用意しなければなりません。金型を作る時間や後加工の手間がかかるため、短時間で製品を作製するのは困難です。

また設計を変更する際、金型の改造や作り直しが必要になるので、試作品や小ロット品の製造には適していません。

一方で金属3Dプリンターは金型や治具、工具を必要とせず、材料とCADデータがあれば造形できるため、短納期で造形可能です。

設計を変更する場合、CADデータを修正するだけで造形できるので、試作品や小ロット品の製造に適しています。

加えて造形スペースの範囲内であれば、複数の試作品を同時に造形可能。数多くの試作品をまとめて検証したい場合、金属3Dプリンターが便利です。

コストの削減により、気軽に試作品を製作できる

金属3Dプリンターは金型や治具、工具を必要としないため、金型を作ったり改造したりする工程を省略でき、鋳造や鍛造に比べて製造コストを削減できます。

また切削加工する場合は、加工中に発生した切粉は再利用できないため、無駄な材料コストが発生します。しかし金属3Dプリンターでは、製品使用分のみ材料を消費するため、材料ロスは少なくコスト削減が可能です。

さらに一度造形をスタートさせると、装置が自動で造形するので人員を少なく抑えられ、人件費カットにもつながります。

金属3Dプリンターのデメリット

金属3Dプリンターには様々なメリットがありますが、万能に使える装置ではありません。なぜなら、以下3つのデメリットがあるからです。

• 大量生産に不向き
• 造形に関する知識が必要
• コストメリットの恩恵が得られない場合がある

それぞれのデメリットを確認し、用途に応じて適切に活用しましょう。

大量生産に不向き

金属3Dプリンターは装置サイズの制限があるため、大量生産には不向きです。ほとんどの場合、造形可能サイズは横幅・奥行・高さが最大でも数百mmです。

そのため、造形スペースに複数並べられない大型製品を作る場合、一度の造形で一つの製品しか作製できず、大量生産には時間がかかります。

生産数が多い用途には鋳造や鍛造など、大量生産に適した製造プロセスを検討しましょう。

造形に関する知識が必要

金属3Dプリンターを使いこなすためには、造形に関する知識が必要です。例えば造形体のデータを用意するためには、CADソフトを扱う技術が欠かせません。

また3Dスキャナーからデータを取得する場合も、編集ソフトのスキルが必須です。

このほか、造形体の適切な配置を考える必要があります。配置が異なると造形中に受ける熱影響が変わり、製品の仕上がりに差が出るといった懸念があるからです。

コストメリットの恩恵が得られない場合がある

少量の製品を金属3Dプリンターで造形する場合、切削加工・鋳造・鍛造に比べてコストを要する場合があります。

なぜなら装置価格が高く、導入後の費用対効果が得られるまでに長い時間を要するためです。

また金属3Dプリンターの寸法精度は±0.1mm程度であるため、造形後に加工して調整するケースがあり、加工コストがかかってしまいます。

コストを抑えたい場合、金属ではなく樹脂でも代替できる製品であれば、比較的安価な樹脂3Dプリンターがおすすめです。

FLASHFORGEでは、業務用の樹脂3Dプリンターを取り扱っています。低コストで3Dプリンターを使いたい方は、以下の製品一覧を参考にしてください。

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金属3Dプリンターはどんな製造に向いているのか？

金属3Dプリンターが適している用途は「切削加工が難しい製品」と「カスタマイズが必要な製品」の2つです。

切削加工が難しい複雑形状

金属3Dプリンターでは、材料を積み上げて造形できるため、切削加工が難しい複雑形状でも作製できます。

切削加工する場合、工具で削れる範囲には限度があるため、金型内部に冷却用水管を設置することは困難です。

しかし金属3Dプリンターでは、中空構造でも造形可能であり、従来の加工では実現できなかった製品も生産できるため、用途の幅が広がります。

また、切削加工が難しい「難加工材」にも適しています。これまで航空宇宙分野では、鋳造・切削加工によってチタン合金の部品を生産してきました。

しかしチタン合金は難加工材であるため、切削加工を必要としない金属3Dプリンターが活用され始めており、実用化にも成功しています。

ユーザーごとにカスタマイズが必要な製品

ユーザーごとにカスタマイズが必要な製品も、金属3Dプリンターが適しています。

例えば人工骨や入れ歯は、患者一人ひとりの骨格・歯形に合った形状に仕上げることが大切です。従来の鋳造プロセスでは、患者に合わせて金型を作り直す手間や時間がかかります。

そこで金属3Dプリンターを使うと、CADデータの修正だけで製品形状を変えられるため、素早く造形できます。このように金属3Dプリンターは、少量多品種の生産に適した製造プロセスです。

金属3Dプリンターが業界で使用される例

金属3Dプリンターは多くのメリットがあるため、以下の業界に使用されています。

• 医療分野
• 航空宇宙分野
• 自動車業界

各業界で使用される例について、具体的に紹介します。

医療分野

医療分野では、金属3Dプリンターが積極的に使用され始めています。なぜなら、患者に合わせて最適な形状に設計した「人工骨」や「入れ歯」を提供する必要があるためです。

<<【参考記事】医療分野における3Dプリンターの活用例について解説

金属3Dプリンターでは、CADデータで自由に形状を制御できるため、各患者に最適なモデルを作製できます。

そのため国内でも、金属3Dプリンターで作製した人工骨の「薬事承認（製造販売に必要な承認）」を取得する企業・研究グループが増えています。

航空宇宙分野

金属3Dプリンターは、航空宇宙分野にも使用可能です。航空機エンジンに使用するタービンブレードや燃焼ノズルは、鋳造・切削加工が難しい複雑な形状であるため、金属3Dプリンターが適しています。

アメリカの航空機エンジンメーカー「GEアビエーション」は、燃焼ノズルの造形に成功し、実際にエンジンへ搭載されています。

従来は20個以上の部品を組み立てていましたが、金属3Dプリンターの活用によって製品の一体化を実現。組み立ての手間や、部品管理コストの削減に成功しています。

自動車業界

自動車には、切削加工が難しいチタン材料や複雑形状のパーツが、数多く使用されています。したがって自動車業界は、金属3Dプリンターのメリットを活かしやすい分野です。

イタリアの自動車メーカー「ブガッティ」は、サーキット専用のモデルを生産し、金属3Dプリンターで作製したパーツが採用されています。

<<【参考記事】［自動車業界］3Dプリンターの活用事例から読み解く導入効果とは？

ただし、このモデルは限定40台のスーパーカーであり、量産品には実用化されていません。大量生産の課題を克服できれば、金属3Dプリンターの使用頻度が増えるでしょう。

金属3Dプリンターに関するよくある質問

最後に、金属3Dプリンターに関するよくある質問について回答します。

金属3Dプリンターではどのような製品が作れる？

金属3Dプリンターは、複雑な形状でも造形しやすいため、航空機エンジン部品をはじめとして、従来の加工方法では生産が難しい製品でも作製可能です。

またCADデータを設計すれば、複雑な形状でも造形できるので、ユーザーごとにカスタマイズが必要な人工骨や入れ歯にも適しています。

さらに、強度と軽量性が両立する部品を設計したり、製品の一体化により性能を向上させたりする使い方も可能です。

一方で、新製品の形状確認やモックアップ（模型）など、金属材料でなくとも問題ない用途であれば、樹脂3Dプリンターでも対応できます。

樹脂3Dプリンターは、金属3Dプリンターに比べて小型の装置や安い価格モデルが多いため、導入ハードルは低いことが特徴です。

低コストで試作したい方は、樹脂3Dプリンターの導入も検討すると良いでしょう。

金属3Dプリンターと切削加工の使い分け方は？

マシニングセンターやNC旋盤などを用いる切削加工は、加工精度に優れることが特徴です。そのため製造できる形状であれば、切削加工を使用しましょう。

しかし製品形状が複雑である場合、刃物を入れられないため加工が難しいケースもあります。このほか、切削中に切粉が発火しやすい「チタン」や、溶けた金属が刃物に付着しやすい「ステンレス」などの難削材は、切削加工が困難です。

もし製品が複雑形状で生産できない場合や、難削材を加工する場合は金属3Dプリンターを使用すると良いでしょう。

また切削プロセスが多くなる製品の場合、金属3Dプリンターを使うことで製造プロセスを短縮し、短時間で生産できます。

このほか材料ロスを防ぎたい場合も、金属3Dプリンターを使うと良いでしょう。切削加工では、発生した切粉を廃棄する分の材料ロスが生じます。

金属3Dプリンターでは必要分のみ材料を使用するため、無駄な原料消費を抑えられ、歩留まり向上につながります。

まとめ

金属3Dプリンターは、金属材料を用いて造形する3Dプリンターです。主に切削加工・鋳造・鍛造が適用しにくい用途や、複雑な形状の製品に対して活用されています。

ただし、金属3Dプリンターは装置価格が高いため、手軽な導入は難しいといった課題があります。

そこで試作品や形状チェックなど、金属でなくとも問題ない用途であれば、比較的リーズナブルな樹脂3Dプリンターがおすすめです。

FLASHFORGEでは、熱溶解積層法（FFF）方式と光造形法（DLP、LCD）方式の3Dプリンターをラインナップしています。3Dプリンターの導入を検討している方は、ぜひ気軽にお問い合わせください。

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