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最新技術の鑑定術

本コラムでは、さまざまな最新テクノロジーがモノ作りや生活とどのように関わっていくのかを考察していきます。毎日のように出来立てのテクニカルタームが飛び交うビジネスシーンで、何が大切なのか? 皆さんが見極めていくヒントになれば幸いです。

 

 
  New Technology Judgment

第8回
3Dプリンタ各方式の最新事情:
粉末焼結の3Dプリンタの今

水野 操

米・Embry-Riddle航空大学修士課程修了。1990年代初頭から、CAD/CAE/PLMの業界に携わり、大手PLMベンダーや外資系コンサルティング会社で製造業の支援に従事。2004年に独立し、独自製品開発の他、3Dデータ、3Dプリンタを活用した事業支援などを行っている。著書に、『AI時代に生き残る仕事の新ルール』(青春新書インテリジェンス)など。
http://www.nikoladesign.co.jp/

 


●本格的な粉末焼結方式3Dプリンタ

前回、前々回と光造形やFDM方式の3Dプリンタの今を説明した。一昔前とは違って、デスクトップにおける小さな機械であっても、ある程度業務にも耐えうるような機械が登場してきていることが分かったと思う。

その一方で、やっぱり個人や小規模な事業者が手を出すには難しい方式もある。それが粉末焼結方式の3Dプリンタだ。元々、数千万円から億単位の機械が中心であったし、現在でもマシニングセンターなどに対する投資に匹敵するような価格であるといっても過言ではない。光造形やFDMのように特許が満了してきているので、より安価な機械も期待したいところだが、装置そのものが大きくなり、またその他付随するシステムも考えると、コストが下がったとしても、気軽に部屋の中に置くというわけにはいかない。

とはいえ、この方式の3Dプリンタによる造形物の恩恵は、そのような機械に投資できる会社だけのものではない。出力サービスなどを使えば、個人であっても比較的リーズナブルな価格で出力が可能で、インクジェット方式での出力を依頼するよりも安価であることも珍しくない。

●自由な形状の金属製品を作る

粉末焼結が注目される理由はもう1つある。それは金属による出力が可能であることだ。工業製品の材料として、金属は圧倒的な頻度で使用される。大量生産品ではなく、比較的少量生産されるものも少なくない。比較的安価なコストで少量生産が可能なのであれば、最終製品として使用できる。実際、航空機においてはすでに3Dプリンタ製の部品が広がりつつある。このような他の方式の3Dプリンタでは難しい、金属を扱うことができるのもこの方式の特徴だ。

ところで、粉末焼結と一言で言ってしまったが、実際にはその中でも複数の異なる手法が存在する。

・SLS(Selective Laser Sintering)レーザー焼結法
SLSと呼ばれるものが一般的に粉末焼結方式の3Dプリンタの方式の中でもメジャーなものだ。粉末焼結では一般的なナイロン樹脂を使用する方式でも用いられる方式だ。もちろん樹脂だけではなく、セラミックとか金属も出力可能だ。この方式を使用する3Dプリンタで代表的なものは、3Dシステムズ社のProXシリーズだ。また、ドイツのEOS社もこの方式の3Dプリンタを製造している。

この方式では、造形のためのステージ(プラットフォーム)上に、ステージの両側にある材料の粉末がはいった箱から材料が供給され敷き詰められる。この面の上をリコータと呼ばれるローラーで平滑にする。この表面に対してレーザーが照射される。この照射された部分が造形される。一層造形されたらステージが一層分下がって次の層が造形されるのは他の方式と同様だ。


粉末焼結方式の3Dプリンタ。(クリックで拡大)

 

焼結法と呼ばれるのは意味がある。固体粉末である材料が高いエネルギーを与えられて融点よりも高い温度になると、それは液体になってしまう。ところが、SLSでは、レーザーでこの材料粉末の温度を上げるものの融点までは上げないので「焼結体」と呼ばれる状態になる。つまり液体ではないので形がなくなって流れていくことはなく形を保ち、それでいて融合し一体となる状態にある。SLSではこの特徴を生かしているのだ。

一般に焼結で製造されたパーツの強度などは高まる傾向にあるので、強度が求められる部品などにも使用できる。つまり、他の製造法による部品の強度と同じものが製造できることが他の方式の3Dプリンタと異なり、最終製品にそのまま使用できる可能性があるため注目度が高いとも言える。

また、この方法で製造される造形物は粉の中に埋まっていくので、材料粉末が自体がサポートの役割を果たし、光造形やFDMのように別途サポートを作成する一般的にはない。

・DMLS(Direct Metal Laser Sintering)直接金属レーザー焼結法
この方式の3Dプリンタも基本的な原理は、前述したSLSと変わるところはないが、エネルギー源であるレーザーが異なる。SLSでは炭酸ガスレーザーを使用するのに対して、DMLSでは、イッテルビウムレーザーが用いられている。この方式の3Dプリンタを製造してているのは前述のドイツのEOS社だ。

この方式は、その名のとおり金属造形に特に向いていて、一般的に工業製品に用いられているほとんどの金属に対応していることだ。したがって、ステンレス、チタン、アルミ、インコネルなど私たちの耳馴染みのある金属での造形がこの方式の3Dプリンタによって可能なのだ。

・主な用途
これら焼結方式で製造されるパーツはすでに航空機や自動車、医療など幅広い分野での取り組みが始まっている。3Dプリンタによる造形は切削加工や射出成形など他の製造方法に比べると、加工条件の制限がゆるい。そのため従来は複数のパーツに分割していたものを1パーツで製造できるなど、パーツ自体のあり方を変えつつある。

スペースX社がロケットのパーツを金属3Dプリンタで製造したのはすでに知られている話だし、GEエアロスペースなどの大手企業も積極的に航空宇宙のエンジン部品などの過酷な環境で使用されるパーツへの適用を始めている。

最近では「3Dプリンタならではの」、「3Dプリンタでないとできない」モノ作りの必要性が言われているが、粉末焼結方式の3Dプリンタではすでにそのような取り組みが始まっている。

当初述べたように機械自体を個人や小規模な会社が導入することは難しいが、サービスを通してい使用することは比較的容易だ。


立体的なメッシュ形状。サポートのいらない粉末焼結方式に向いた形状。他の方式ではサポートの除去に苦労する。(クリックで拡大)

iPhoneのカバー。ナイロン製で強度と柔軟性を併せ持ち実用性もある。(クリックで拡大)


ミニチュアの飛行機。細くて薄いプロペラの先端はFDM機ではサポートの除去も苦労するところだが、粉末焼結ではきれいにできている。(クリックで拡大)

チタン製の自作工具型キーホルダー。個人でも金属3Dプリンタをサービスを通じて利用が可能。(クリックで拡大)


まだ試していないなら、ぜひ一度サービスを通して利用してみてはどうだろうか。


次回は12月中旬掲載予定です。
(2018年11月9日更新)


 

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