近年、金属3Dプリンターは、金属で複雑な形を再現できることから、幅広い業界や製品の製造・修理に活用が進められている装置です。
しかし、具体的にどのような種類があり、メリットとデメリットは何か理解できていないという方もいらっしゃるでしょう。
そこで本記事では、「金属3Dプリンターとは何か？」という基礎知識から、造形方式の種類と特徴、メリット、デメリットまで幅広くご紹介します。
また、事例やおすすめの金属3Dプリンターも紹介しますので、ぜひ参考にしてみてください。
「金属3Dプリンター」とは、金属を使って立体的な製品を造形できる装置です。
プリンターという言葉から、紙への印刷をイメージする方もいるでしょう。
しかし、金属3Dプリンターは印刷ではなく、設計した3Dデータを装置に読み込ませた上で、金属をデータ通りに造形していくことが特徴です。
まるでプリンターが印刷するように立体的な金属の製品を作り出せる特徴を持っていることから、さまざまな業界で試作品や一点ものの製品を作り出すことに用いられています。
これまでの金属加工では、鍛造や鋳造、切削など多種多様な技術がありましたが、金属3Dプリンターは、より細かな造形を金属で表現できることから近年注目されている技術です。
また、金属ではなく樹脂を使って造形を行う「樹脂3Dプリンター」という装置もあります。
金属3Dプリンターは、主にレーザーや電子ビームで金属を造形していきますが、それぞれの造形方式によっても特徴が異なります。
以下では、金属3Dプリンターの造形によく使われている方式をそれぞれの項目に分けて解説していきます。
パウダーベッド方式（PBF：Powder Bed Fusion）は、金属の粉末にレーザー、または電子ビームを照射して造形していく方法です。
金属3Dプリンターの多くで活用されている造形方法となっています。
金属粉末を熱で溶かしながら造形していくため、完成までに一定の時間が必要ですが、多種多様な金属や造形に対応できることが特徴です。
このパウダーベッド方式は、熱源方式によっても特徴が異なり、主にレーザーと電子ビームの2種類に分けられます。以下ではそれぞれの特徴を詳しくまとめていきます。
レーザー方式は、光を集めたレーザービームを金属粉末に照射して熱し、固めていく方式です。
一層が固まったあとは次の層に金属の粉を追加し、レーザーを照射するという流れを繰り返すことで形を作っていきます。
主な特徴は、レーザーの出力が電子ビームよりも低く、完成までに時間がかかることです。
最も普及している方式であり、金属3Dプリンターといえばレーザー方式をイメージする方も多いでしょう。
また、金属が酸化するリスクがあるため、造形エリア内には常にAr（アルゴン）などの不活性化ガスを充満させて酸素濃度を下げる必要があります。
電子ビーム方式は、高出力電子ビームによって金属の粉末を溶かして固める方式です。
ファイバーレーザーなどを利用しているレーザー方式と比較して、より高速で強力なレーザーを利用しています。
主な特徴は、高出力なので完成までの時間が速いことです。
一方で、完成した金属の表面が粗くなりやすい点や、造形エリアを真空状態にすることが求められるなどの特徴もあります。
デポジション方式（DED：Direct Energy Deposition）は、指向性エネルギー堆積法とも呼ばれる造形方式です。
あらかじめ金属粉末を詰めた層を用意するのではなく、金属粉末を放出しながらレーザーや電子ビームで造形部分を照射して溶かして積層していきます。
複雑な形状の造形には不向きですが、大型の造形品や比較的シンプルな形状の造形、金属の補修でも活躍しています。
熱溶解積層方式（FDM：Fused Deposition Modeling）は、熱で変形する樹脂と金属を混ぜた素材を押し出して積み重ねていく方式です。
従来の樹脂3Dプリンターの方式を応用したものですが、成形した後も加工作業が必要となります。
具体的には、炉に入れる焼結作業、熱可塑性樹脂を取り除くための脱脂といったもので、それらの作業を行わないと造形物が完成しません。
また、これらの作業中に造形物が収縮していくので、収縮割合を計算して金属3Dプリンターで造形する必要があります。
バインダージェット方式（結合剤噴射方式）は、バインダーと呼ばれる液体結合剤を噴射しながら金属粉末などを敷き詰めたところを固めていく方式です。
もともと砂を噴射してバインダーで固めていく方法でしたが、徐々に金属粉末を利用する機種も登場しています。
最初に成形体を作った後にバインダーを取り除く作業があるのも特徴です。
主に微細形状の小型部品を作り出すのを得意としていますが、若干金属の密度が低いというデメリットがあります。
ここからは、金属3Dプリンターでのメリットを以下の3つに分けて解説していきます。
金属3Dプリンターは、これまでの金属加工では困難だった複雑な形の造形物も製作できることがメリットです。
金属の粉末を少しずつレーザーで溶かしていく工程を繰り返すことで、細かな加工が実現できます。
一般的な金属加工である鋳造や切削といった加工にはできなかった、工具の入らない場所への加工や型から取り出せない形状のものも金属3Dプリンターであれば製作可能です。
また、鋳造以上の強度を持ち、金属加工で強度を出す際に用いられる鍛造に匹敵するともいわれています。
金属3Dプリンターの活用が、コスト削減につなげられるというメリットもあります。製作する部品点数を減らすことができ、その分だけ製造コストを下げられるからです。
例えば、数点以上の部品で構成されるような製品も金属3Dプリンターを使えば1点の部品を製作するだけで済む場合もあります。
また、加工に携わる人員の数を減らすことが可能なので、人件費も削減でき、それがコスト削減につなげられるメリットもあります。
金属3Dプリンターによって、製品を軽量化できることもメリットです。
前述したように部品点数を減らせるだけではなく、初期段階から設計し直せるなどの結果、軽量化にもつながります。
さまざまな条件で多くの試作品を気軽に作り出すことも可能になるため、試作と検証を繰り返しながら最適な設計を見つけることも可能です。
続いて、金属3Dプリンターで考えられるデメリットを以下の3つに分けて解説していきます。
高い精度が求められる製品や造形方式によっては、精度が足りずに追加で加工が必要になる場合もあります。
現状では、10μレベルの寸法精度という限界があり、それ以上に高い精度を求める場合は別途、追加の加工を施さなければなりません。
このデメリットによって追加の加工が必要となり、かえって手間や時間、製造コストがかかることもあるため注意が必要です。
金属3Dプリンターは、サイズが大きな製品の大量生産が難しいというデメリットがあります。
装置で製作できるサイズを超える場合は、複数の部品を金属3Dプリンターで製造し組み合わせる必要があります。
そのため、大量生産を目指している場合は、その他の製造方法よりも、完成までに時間がかかってしまうこともあるでしょう。
金属3Dプリンターは、データの取り扱いや造形に対して知識が必要なこともデメリットと言えます。
なぜなら、造形方式による特徴の違いや専用のソフトウェアの使い方など、最低限の知識がなければ、目的に合った製作方法やデザインを判断できないからです。
知識がない場合、専門の業者やデザイナーなどに相談しながら製作を進めることで、失敗を防げるでしょう。
続いて、金属3Dプリンターを使った製作事例を医療・自動車・航空宇宙業界に分けてご紹介します。
医療業界で金属3Dプリンターを使った事例として、インプラントが特徴的です。
複雑な形状で個人差のある人体にマッチした金属部品も、金属3Dプリンターなら製造できるため、インプラントの歯のほか、背骨を固定する複雑な形状の内固定を行うインプラントにも活用されています。
また、人工関節やペースメーカーといった医療用の機器についても、試作品の製作が進められているほか、手術に用いる特殊な手術器具や車いすの部品など、幅広い業界で応用されています。
自動車業界では、最新の部品や復刻部品の製造に金属3Dプリンターを使用した事例があります。
レーシングカーでは、超軽量・薄型・超剛性を両立したパーツを実現するために、金属3Dプリンターで部品を製造するなどの活用が進められています。
一方で、現在は生産が終了して部品のストックがない古い車に対して、当時の形状を忠実に再現したパーツを、メーカーが復刻生産している事例もあります。
航空宇宙分野でも、金属3Dプリンターを使った事例はあります。
特に注目されているのが、ジェットエンジンの修理です。バードストライクなどで破損したジェットエンジン部品の補修・修理に利用されています。
また、宇宙分野ではロケットエンジンの配管部品などへの適用も特徴的です。
高い精度と複雑な形状が多く、大量生産も要求されにくいという背景から、金属3Dプリンターの特性が生かせる分野として注目されています。
ここまで、金属3Dプリンターの基礎知識からメリット、デメリットまでをまとめてきました。
ここからは、弊社が取り扱っている、金属造形、補修、機能追加に適したオールインワンの金属3Dプリンター「Meltio」を少しだけ触れさせていただきます。
Meltioは、金属材料の中で最も安価な溶接ワイヤーを材料として使用することで、以下4つのメリットを実現した金属3Dプリンターです。
上記のように、使いやすい金属3Dプリンターとしてさまざまな用途に活用できます。
これまでは高額で利用できなかったものでも、手軽に製造しやすくなっているほか、さまざまな材料を使用して製造することが可能です。
重工業から、医療、建設などの幅広い業界に適しています。
より詳しい情報は、弊社のプロダクトページよりご覧ください。
本記事では、「金属3Dプリンターとは何か？」という基礎知識から、造形方式による特徴の違い、メリットとデメリットまで幅広くご紹介しました。
金属3Dプリンターは、金属による製造から修理まで幅広い用途や業界で注目されている技術です。
製造で失敗しないためには、目的に合った機械や材料、設計を用意することが大切なポイントとなります。
わたしたち3D Printing Corporation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ます。
また同プリンターを使用し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、ご興味のある方はお気軽にご相談ください。
Meltio詳細情報：Meltio450, Meltio Engine
Meltioは、3D Printing 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。
オンラインストア（Meltio）はこちら
メール経由：info@3dpc.co.jp へ「Meltioに関する問い合わせ」等の旨をご記入の上、お問い合せください。
