Fundamentals of Metal 3D Printing Technologies

Abstract

   ミ ニ 特 集 金属系材料の 3 次元積層造形技術の基礎 小泉雄一郎 1) 千 葉 晶 彦 2) 野 村 直 之  中 野 貴 由   . は じ め に 3D プリンター，積層造形，アディティブマニュファクチ ャリング等と称される一連の技術が，設計から生産までの期 間の大幅な短縮，一品一品のサイズ・形状が異なる部材を大 量生産するマスカスタマイゼーション，部材形状の複雑さに 依存しない製造時間とコストなどを可能とする革新的製造技 術として注目されている (1) ．積層造形技術は，造りたい 3 次元体の 2 次元スライス形状に沿って材料を結合させた層 を形成し，それを積み上げて結合していくことで 3 次元形 状をもつ造形体を得る技術であり，一般には 3D プリンター として知られる．これまでは，鑑賞，3 次元形状確認の支 援，製品を製造する前の試作等を目的とした造形に用いられ`` 援，製品を製造する前の試作等を目的とした造形に用いられ``Free Form Fabrication'' や ``Rapid Prototyping'' と 呼 ば れ てきたが，最近では，材料を逐次付加して 3 次元形状を得 て工業製品等の実用部材を製造する種々の技術と併せて Additive Manufacturing(AM，付加製造)技術と総称され世界 中で注目されている．AM 技術では，鋳造，切削，塑性加 工といった従来の成形加工技術では実現が不可能あるいは極 めて困難な形状でも成形が可能である．そのため例えば，設 計上は最高の部材性能を得るために最適とわかっていても工 程上の制限により実現しなかった形状に材料を成形すること が可能である．加えて，従来と同じ形状の部材を製造する場 合でも，()材料消費の歩留まりがよい．(鋳造では押し湯 や溶湯の流路で凝固して廃棄される部分，切削加工では切削 粉として廃棄される部分があるのに対し，AM では実部材 と少量の支持部材を構成するのに必要なだけの材料のみが消 費され，材料の消費を最小限に留めることができる． ） ，() 部品の在庫をなくせる．(造形用の材料と CAD データがあ ればいつでも部材を製造できるため，金型を用いた大量生産 の場合のように予備部材の在庫をもつ必要がない． ） ，()輸 送時間・エネルギー・コストの縮減(現状では大工場で製造 された部材が各地の組立工場に輸送されているものを，各地 に造形装置を置き原料のみを貯蔵しておけば，データを転送 して造形することにより現地で必要な部材を必要なだけ製造 でき，輸送の時間，エネルギー，コストが抑えられる． ） など の利点があり，製造業界で強い関心を集めている． しかしながら現状で実用化されている製品は，装飾品など の形状や外観が重要で大きな耐荷重を必要としない用途や， 破損しても深刻な問題とならない用途などに限られ，広い用 途で従来製法を代替するには至っていない．金属材料のポリ マーやセラミックスに対する最大の優位性である強靱性を活 かした用途での金属積層造形の実用化には高い耐久性の保証 が求められる．さらに言えば，積層造形体の強度や機能性が 従来製法で得たものより優れる場合も多く (2) ，積層造形プロ セス特有の組織形成を活用し，優れた材料が得られることも 期待されている．そのような優れた特性を再現性よく発現さ せ積層造形の可能性を十分に発揮させるためには，造形条件-組織-特性-性能の相関に関する知見を蓄積し，造形物の 特性の支配因子を解明し，特性保証の指針を確立することが 必要である．そのためにはまず，現在の金属積層造形プロセ スの基本的原理とその中で生じる物理現象を正しく理解する ことが不可欠であり，金属学の各分野の専門家の参画と協力 体制の構築が望まれる．本稿では，そのような協力の機会と なることを期待して，金属系材料の積層造形技術の基礎につ いて紹介する． . 付加製造(AM)技術の種類と金属積層造形 国際標準化機構による用語定義(ISO 52900)では，AM 技 術は，3D モデルデータから部材を製造するために材料を結 合するプロセスと定義され，以下の 7 つのカテゴリー，即 ち，Binder Jetting (BJT，結合剤噴射)，Directed Energy