なるほど金属3Dプリンター｜付加加工と金属3Dプリンターの種類を紹介

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

金属3Dプリンターは、金属粉をレーザで焼き固めて造形する工作機械です。

破損した金属部品の修理や、切削では再現できない3D構造の加工にも応用でき、 新しい金属加工のカタチ として、いま注目されています。

この記事では、金属3Dプリンターの代表的な加工方法を通して、付加加工について紹介します。

付加加工にかかせない「金属3Dプリンター」

金属3Dプリンターは、金属粉をレーザで焼き固めながら重ねていき、金属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）物体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）「立体印刷機（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」

いままでの鋳造や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。

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医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。

金属3Dプリンターの造形方法

金属用3Dプリンターは、金属粉末（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。

金属3Dプリンターの分類

パウダーベッド方式（金属3Dプリンタ）

パウダーベッド方式は、敷きつめた金属粉末（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。

レーザー焼結法（SLS）

レーザー焼結法は、敷きつめた金属粉末（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残るため粗く、研磨加工で仕上げます。

直接金属レーザー焼結法（DMLS）

直接金属レーザー焼結法は、敷きつめた金属粉末（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、敷きつめた金属粉末（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。

金属粉末（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、敷きつめた金属粉末（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（加工温度は1000度）で、高速造形ができます。

メタルデポジッション方式（金属3Dプリンタ）

メタルデポジッション方式は、金属粉末（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。
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。

レーザー直接積層法

レーザー直接積層法は、金属粉末（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、さまざまな名称や方式があります。

パウダーベッド方式とくらべ加工速度がはやく、ピンポイントで金属粉末（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属粉末（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。

溶融金属積層法

溶融金属積層法は、ワイヤー状の金属をノズルで供給し、ビームを照射しながら層を重ねていく造形方法です。

1秒間に数万回の火花（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（金属の補修）などで使われます。

FDM方式（金属3Dプリンタ）

FDM方式は、従来の樹脂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。

金属とバインダー（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、脱脂工程で除去されます。
その後焼結工程で金属を焼き固め、金属製品となります。

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。

付加加工と金属3Dプリンタとは？まとめ

この記事では、金属3Dプリンターの代表的な加工方法を通して、付加加工について紹介しました。

金属3Dプリンターを使った加工は「金属部品」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金属プリンターの機能を搭載した複合加工機をぞくぞくと発表しています。

本記事が、金属3Dプリンター導入のきっかけとなればうれしいです。