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なるほど金屬3Dプリンタ|金屬3Dプリンタの方式と種類をかんたん解説

なるほど金屬3Dプリンタ|金屬3Dプリンタの方式と種類をかんたん解説

更新日時:
2021/09/11 (2020/05/15 公開) 編集者:甲斐 智
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付加加工 | 工作機械 |
       

付加加工は、AM技術(Additive Manufacturing)とよばれる金屬加工技術のひとつです。
代表的な技術に「金屬3Dプリンター」を使った、積層造形があります。

金屬3Dプリンターは、 金屬粉をレーザで焼き固めて造形 する工作機械です。
破損した金屬部品の修理や、切削では再現できない3D構造の複雑加工にも応用されています。

この記事では、金屬3Dプリンターの代表的な方式を通して、付加加工について紹介します。

工作機械と金屬3Dプリンターについて|金屬3Dプリンターは、新しい金屬加工のカタチとして注目されています!
金屬3Dプリンターは、新しい金屬加工のカタチとして注目されています!

付加加工にかかせない「金屬3Dプリンター」

金屬3Dプリンターは、金屬粉をレーザで焼き固めながら重ねていき、金屬部品を造形する工作機械です。

3Dプリンター:
3Dプリンター(スリーディープリンター、英語: 3D printer)とは、3次元的なデジタル?モデルをもとにして、(現実の)物體をつくりだすことができる機械のこと。
日本語では(あまり一般的ではないものの)「立體印刷機(りったいいんさつき)」と、漢字表現で呼ぶこともある。
引用元:wikipedia「3Dプリンター」
工作機械と金屬3Dプリンターについて|付加加工にかかせない「金屬3Dプリンター」

いままでの鋳造切削加工では再現できなかった複雑な部品も、 CADデータをもとにかんたんに造形 することができ、軽量化や機能アップに役立てられています。

工作機械と金屬3Dプリンターについて|付加加工にかかせない「金屬3Dプリンター」 加工精度や加工時間にまだまだ課題はありますが、すでにボーイングのエンジン部品やオーダーメイドの醫療器具の生産でも実用化

加工精度や加工時間にまだまだ課題はありますが、すでにボーイングのエンジン部品やオーダーメイドの醫療器具の生産でも実用化。

技術開発の進歩がめざましく、追加工なしで最終製品の造形ができるまでに進化しています。

金屬3Dプリンターの造形方法と方式

工作機械と金屬3Dプリンターについて|金屬3Dプリンターの造形方法

金屬3Dプリンターで金屬部品を直接製造するDMP(ダイレクト?メタル?プリンティング)には、金屬粉末(パウダー)の供給方法によっておおきく3つの方式があります。

金屬3Dプリンターの方式分類

パウダーベッド方式(PBF方式)

工作機械と金屬3Dプリンターについて|パウダーベッド方式 敷きつめた金屬粉末(パウダー)に、熱エネルギーを照射して重ねていく造形方法です

パウダーベッド方式(PBF方式)は、敷きつめた金屬粉末(パウダー)に、熱エネルギーを照射して重ねていく造形方法です。

熱源の種類によって、さらに細かく分けることができます。

工作機械と金屬3Dプリンターについて|レーザー焼結法(SLS) 敷きつめた金屬粉末(パウダー)にレーザーを照射し、焼き固める造形方法

レーザー焼結法(SLS)

工作機械と金屬3Dプリンターについて|レーザー焼結法(SLS)

レーザー焼結法は、敷きつめた金屬粉末(パウダー)にレーザーを照射し、焼き固める造形方法。
もっともよく知られている方法で、SLS(Selective Laser Sintering)ともよばれます。

高出力のレーザーで一層ずつ焼き固め、造形後は余分の粉末を除去して造形ワークを取り出し。
造形後の肌の表面はパウダー感が殘るため粗く、研磨加工で仕上げます。

直接金屬レーザー焼結法(DMLS)

工作機械と金屬3Dプリンターについて|直接金屬レーザー焼結法(DMLS)

直接金屬レーザー焼結法は、敷きつめた金屬粉末(パウダー)にイッテルビウムレーザーを照射し、焼き固める造形方法。

SLSとはレーザーの原理が異なり、DMLS(Direct Metal Laser Sintering)とよばれます。
高出力で安定性に優れるため、より精密な造形が可能です。

レーザー溶融法(SLM)

レーザー溶融法は、敷きつめた金屬粉末(パウダー)にレーザーを照射し、溶かしながら層を重ねていく造形方法。
SLM(Selective Laser Melting)ともよばれます。

金屬粉末(パウダー)をかけながら一層ずつ溶かし、造形後は余分の粉末を除去して造形ワークを取り出します。

レーザー焼結法と似ていますが、焼結の工程がないため、熱収縮が起こりにくのが特徴です。

電子ビーム溶解法(EBM)

電子ビーム溶解法は、敷きつめた金屬粉末(パウダー)にビームを照射し、溶かしながら層を重ねていく造形方法です。
EBM(Electron Beam Melting)ともよばれます。

真空中でビームを照射するため、レーザーにくらべ高出力(加工溫度は1000度)で、高速造形ができます。

メタルデポジッション方式(BMD方式)

工作機械と金屬3Dプリンターについて|メタルデポジッション方式 金屬粉末(パウダー)を指定の箇所に供給し、重ねていく造形方法です

メタルデポジッション方式は、金屬粉末(パウダー)を指定の箇所に供給し、重ねていく造形方法です。

粉塵対策や不活性化ガスの排出対策などが必要なパウダーベッド方式とくらべ導入コストも低く、 パウダーベッドに替わる新技術として注目されています。

工作機械と金屬3Dプリンターについて|レーザー直接積層法(LENS) 金屬粉末(パウダー)をノズルで射出し、レーザーを照射しながら層を重ねていく造形方法です

レーザー直接積層法

工作機械と金屬3Dプリンターについて|レーザー直接積層法

レーザー直接積層法は、金屬粉末(パウダー)をノズルで射出し、レーザーを照射しながら層を重ねていく造形方法です。

?LMD(Laser Metal Deposition)
?DMD(Direct Metal Deposition)
?DED(Direct Energy Deposition)
?LENS(Laser Engineered Net Shaping)

など、さまざまな名稱や方式があります。

パウダーベッド方式とくらべ加工速度がはやく、ピンポイントで金屬粉末(パウダー)を供給できるため材料のムダがありません。

造形途中でも異なる金屬粉末(パウダー)に切り替えることもできるため、小型部品の造形や既存製品の修理などにも利用されます。

溶融金屬積層法

溶融金屬積層法は、ワイヤー狀の金屬をノズルで供給し、ビームを照射しながら層を重ねていく造形方法です。
1秒間に數萬回の火花(アーク放電)をとばすことでワイヤーを溶かし、重ねていきます。

低コストで高速造形ができますが、造形精度が低いため、加工ワークへの肉盛り(金屬の補修)などで使われます。

熱溶解積層方式(FDM方式)

工作機械と金屬3Dプリンターについて|FDM方式 従來の樹脂3Dプリンターとおなじ、積層による造形方法です

熱溶解積層方式(FDM方式)は、従來の樹脂3Dプリンターとおなじ積層による造形方法です。
(FDMは熱溶解積層〈Fused Deposition Modeling〉の略)

金屬とバインダー(樹脂)を混ぜて固めた粉末をノズルから押し出し、樹脂3Dプリンタとおなじ要領で積層していきます。

余分なバインダーは積層時に熱で溶け、脫脂工程で除去されます。
その後焼結工程で金屬を焼き固め、金屬製品となります。

焼結時に約20%ほど収縮するため、精密部品には仕上げ加工が必要となります。

量産には向きませんが導入コストが低いため、研究所や試作用途として注目されています。

3D金屬プリンタを搭載した工作機械とメーカー

工作機械と金屬3Dプリンターについて|3D金屬プリンタを搭載したCNC工作機械

大手工作機械メーカーでは、金屬3Dプリンターを搭載したCNC工作機械を次々と開発。
CNC工作機械に金屬積層技術を取り入れることで、素材の造形から切削?焼入れまで、さまざまな工程を一臺に集約することができます。

(金屬造形技術と切削加工を融合した工作機械は、「フォトンマシニングセンタ」ともよばれています)

〈金屬3Dプリンターの関連メーカー〉
メーカー 金屬3Dプリンターの種類
オークマ(株) 超複合加工機
キタムラ機械(株) 次世代型3D金屬加工用プリンタ
(株)ソディック 高速造形金屬3Dプリンタ
DMG森精機(株) レーザ金屬積層造型機
(株)松浦機械製作所 ハイブリッド金屬3Dプリンタ
ヤマザキマザック(株) ハイブリッド複合加工機

◎あいう順?敬稱略

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付加加工と金屬3Dプリンタとは?まとめ

この記事では、金屬3Dプリンターの造形方法と方式を通して、付加加工について紹介しました。

金屬3Dプリンターを使った加工は「金屬部品」だけでなく、金型の分野にまで拡大。
日本の工作機械メーカー各社も、「マシニングセンタ」や「5軸加工機」に3D金屬プリンターの機能を搭載した複合加工機を続々と発表しています。

本記事が、金屬3Dプリンター導入のきっかけとなればうれしいです。

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この記事の編集者?プロフィール

甲斐 智(KAI Satoshi)
甲斐 智(KAI Satoshi)

1979年 神戸生まれ
多摩美術大學修了後、工作機械周辺機器メーカーの販売促進部門
15年以上に渡り、工作機械業界?FA業界のWebマーケティングに攜わる
メーカーでは各種技術専門誌へ寄稿
文部科學省「學校と地域でつくる學びの未來」參加企業

所屬
SNS?運営サイト

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