金属3Dプリンターの基本概要と仕組み

金属3Dプリンターは、金属加工を行う企業や製造業界で注目され始めており、徐々に導入が進んでいます。金属3Dプリンターは、3次元のCADデータに合わせ、金属粉末を溶かし固めて一層ずつ積み重ねていき金属部品を作り出します。従来の金属加工とは違い、必要な部品形状を直接成型できるので、多様な構造の造形に対応することが可能です。金属3Dプリンターで使用されている、代表的な造形方式を紹介します。

パウダーベッド方式

パウダーベッド方式は最も主流な方式で、多くの企業で利用されています。あらかじめ金属粉末を敷き詰め、レーザービームを照射しながら金属のみを溶かし固める方式です。パウダーベッド方式は2種類あり、造形に時間がかかるが複雑な形状を作れるレーザー熱源方式と、製造スピードは速いが精度は出にくい電子ビーム熱源方式があります。それぞれ特徴が異なるので、製品の形状や状況に応じて、最適な方式を選択することが重要です。

バインダージェット方式

金属粉末に対し、液体のバインダーをノズルから噴射して造形する方式です。1層ごとにバインダーの噴射と固化が終わると、バインダーを脱し工程で除去し炉で焼結します。焼結時には体積が、20％程度収縮します。また、密度が低くなる傾向があるため、大型部品の製作には向いていません。

指向性エネルギー堆積方式

金属粉末を吹きかけながら、レーザーを照射することで積層する方式です。異種材料を組み合わせて造形でき、高熱で溶融するので耐久性の高い造形物ができます。また、大型の造形に適しており、比較的造形速度が速いという特徴があります。

金属3Dプリンターのメリットとは

金属3Dプリンターのメリットを紹介します。

自由度が高く、複雑な形状に対応

これまで金属加工では難しかった複雑な形状も作成することが可能です。金属粉末を、少しずつレーザーで溶かす工程を繰り返すので、細かい加工が実現します。製品の微調整やカスタム製品の作成なども可能なので、多様な製品バリエーションを生産できるでしょう。

コストを削減できる

従来の金属加工では、1品ごとの金型や製造工具を用意する必要があります。そのため、開発コストがかかっていましたが、金属3Dプリンターの場合、金型や製造工具が不要なので製造コストを削減することが可能です。また、必要な材料が少ないので、材料の調達にかかる手間や調整などの業務の削減にもつながります。さらに小型の製品であれば、形状の異なる多品種の製造物を同時に造形することが可能です。

短納期で製造できる

金属3Dプリンターは、比較的短い時間で製造することが可能です。材料と設計データがあれば短納期で製品の納入ができ、試作品や小ロットの製造に適しています。早いサイクルで提供できるので、製品化に向けた実験や検証において、スピード感のある商品開発が可能になります。商品開発のスピードが上がることで、競合社への優位性の確保や、顧客ニーズへの迅速な対応なども期待できるでしょう。

強度の高い金属部品を製作できる

ショットピーニングやHIP処理を行うことで、強度の高い金属部品を製作することが可能です。鍛造の製品以上の強度のある部品を製作できるでしょう。

金属3Dプリンターのデメリットと注意点

金属3Dプリンターのデメリットと注意点を紹介します。

ランニングコストがかかる

金属3Dプリンターを使用するには、ランニングコストがかかります。長く使い続けるためには、定期的なメンテナンスも必要になります。集塵フィルターの交換やレーザーの交換は定期的に行わなくてはいけないので、1度の交換につき多くの費用を負担しなくてはいけません。また、本体と材料を一定の気温と湿度の中で保管しなくてはいけないので、機械の電力だけではなく、エアコンの電気代も高くなるので注意が必要です。

大量生産が難しい場合がある

造形するサイズによって、大量生産が難しい場合があります。小さな造形物ならば多品種でも同時に製作することが可能ですが、大きな造形物は複数個の生産はできません。ひとつずつ造形することになるため、時間がかかってしまいます。

知識を習得しなくてはいけない

金属3Dプリンターを使用する際には、造形に関することやデータの取り扱いなど、多くの知識が必要になります。最低限の知識を身につけておかないと、目的にあった製作方式やデザインなどを判断できません。また、造形後の制度によっては、別途加工が必要になる場合があります。造形後の加工は金属3Dプリンターではできないため、知識のある人の手で行わなくてはいけません。

まとめ

金属3Dプリンターの基礎概要やメリット・デメリットについて紹介しました。金属3Dプリンターは、切削加工では適用が難しい用途や、複雑な形状にも対応することが可能です。ただし金属3Dプリンターには多くのメリットがありますが、デメリットや注意点もあります。多くの初期費用やランニングコストがかかり、本体や材料の管理も難しいため、慎重に検討することが重要です。

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