3Dプリンター利用ガイド: 本格検討編

粉末焼結積層造形方式3Dプリンター

金属3Dプリンターにも利用される粉末焼結積層造形方式。高耐久性、サポート材不要!

粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターは、粉末状の材料をレーザーなどにより焼結することで造形を行う。樹脂材料だけでなく金属材料も造形できるので、高い耐久性を持つ複雑な形状の造形も可能だ。粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターの基本的な特徴と、使用におけるメリット、デメリットを解説する。

幅広い素材の造形に対応。最終製品の製造にも需要が拡大

粉末焼結積層造形方式の特徴

粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターは、粉末状にした樹脂や金属の素材にレーザーや電子ビームを照射することで焼結させて造形を行う。この方式はSLS(Selective laser sintering)とも言われている。基本的な原理としては、造形用のステージ上に薄く敷き詰めた粉末材料にレーザーなどを照射して1層目を焼結。その上から再び薄く粉末材料を敷き詰めて焼結させて2層目を造形。これを繰り返すことで目的の形を造形していく。全ての層を造形した後は、不要な粉末材料を吹き飛ばして造形物を取り出す。焼結されなかった粉末材料は再利用が可能だ。

粉末焼結積層造形方式では粉末材料を敷き詰めながら造形するので、他の造形方式と異なり、中空構造の天井部分を造形するような場合でも、敷き詰めた粉末材料が支えとなるのでサポート材が不要となる。また、他の造形方式では主に樹脂素材が使用されるが、粉末焼結積層造形方式では樹脂素材の他に鉄、銅、チタン、ステンレスといった各種の金属素材を造形できるのも大きな特徴だ。これにより、試作に限らず、実際の製品としての使用に耐えられる、衝撃や熱に対して高い耐久性を持った部品を造形することができる。

また、3Dプリンターによる造形なので、切削加工や鋳造では実現ができない複雑な形状を金属素材で作る事が可能となり、設計の幅が大きく広がる。実際にエンジンやタービンの部品、ジェットエンジンのノズルの製作などに使用されている例がある。樹脂素材においても、ナイロン6、ナイロン12、ポリプロピレンなどの耐久性に優れている樹脂素材を造形できるので、自動車や航空機などの部品の製作に使用されている例がある。試作開発現場だけでなく、実際の製造現場でも広く活用されているのが粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターだ。

エンジンやタービンの部品イメージ

粉末焼結積層造形方式3Dプリンターの製品例

粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターの代表的なメーカーと機種を以下に挙げる。

ソディック日本OPM Series、LPM325粉末焼結積層造形と切削加工までを連続して実行。独自のパラレルモード加工方式による高速造形、切削時間短縮を実現。

 

社名 代表機種名 特徴
3D SYSTEMS アメリカ ProX DMP Series 3Dプリンターの老舗メーカー。高品質、高スループットのダイレクトメタル3Dプリンター。特許取得済みレイヤ積層テクノロジによって、より微細な粒子の使用が可能。後処理の必要性を低減。密閉された粉末ローディングやリサイクリング機構を備える。
EOS ドイツ EOSINT Series 高出力のイッテルビウムファイバーを使用するDMLS(Direct metal laser sintering直接金属レーザー焼結)3Dプリンター。多種多様な金属材料に対応。
アスペクト 日本 RaFaElⅡSeries 高速高精度のデジタル・ガルバノメーターミラーにより優れた造形精度と造形速度を実現。
松浦機械製作所 日本 LUMEX Series 粉末焼結積層造形と切削加工をワンプロセスで行うハイブリッド型の3Dプリンター。
ソディック 日本 OPM Series、LPM325 粉末焼結積層造形と切削加工までを連続して実行。独自のパラレルモード加工方式による高速造形、切削時間短縮を実現。
SLM solutions ドイツ SLM Series 老舗の粉末焼結積層造形3Dプリンターメーカー。金属素材の3Dプリントでは高いシェアを持つ。
ヤマザキマザック 日本 ハイブリッド複合加工機 AM ブルーレーザーによる粉末焼結積層造形と切削加工を組み合わせた同時5軸加工機。
DMG森精機 日本 LASERTEC Series 粉末焼結積層造形と切削加工のハイブリッドマシン。前処理と後処理の情報を一括管理。
Concept Laser ドイツ Concept Laser Series アメリカGEグループの会社。航空機用金属部品等の製造に優れている。
RICOH 日本 RICOH AM S5500P 耐久性、耐熱性に優れた樹脂素材の少量多品種生産に適している。

 

レーザーを使った粉末焼結積層造形方式の造形は、1980年代後半にアメリカのテキサス大学で開発された。その後2014年に主要な特許が切れて、現在は従来よりもかなり安い機種が数多く出てきている。また、造形の精度や速度も年々上がっている。

 

粉末焼結積層造形方式3Dプリンターのメリットとデメリット

粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターを使用するメリットとしては、材料粉末を薄く敷き詰めながら造形していくので、サポート材が不要となるという点が挙げられる。これにより、サポート材を切り離して廃棄する手間が無くなる。そして樹脂だけでなく、セラミックや各種の金属材料も造形できるので、耐久性、耐熱性、耐腐食性をもった部品を作ることが可能だ。もちろん3Dプリンターなので、切削加工や鋳造では作る事が難しい複雑な形状を一体成型することも可能だ。設計の幅が広がることはもちろん、今まで無かった新しい形状や性能をもった部品を製造することができるようになる。少量、試作設計に限らず、製品の製造にも大いに活用ができる。

逆に、粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターのデメリットとしては、装置自体が大型で各種付帯設備が必要となるので、設置場所の確保や作業環境の整備が必要となる。粉末焼結積層造形方式では、粉末状の材料を供給する装置の他に、造形後の部品の周囲から不要な粉末材料を吹き飛ばすための高圧エアの設備、吹き飛ばした粉末材料を飛散させない空調設備、吹き飛ばされた後の粉末材料を回収し再利用するために選別する回収装置などが必要だ。このため、他の方式の3Dプリンターと比較して導入費用や維持費が高くなる傾向がある。また、粉末材料を焼結している関係で、製品の仕上がり寸法精度は高いが、表面がザラついた質感になるため、滑らかな面や光沢を持たせるためには、何らかの追加工が必要となる。

導入費用に関しては、2014年に主要な特許が切れて以降、従来の10分の1程度の安価な製品も出てきている。そのため、費用面におけるハードルはかなり下がってきているといえるだろう。粉末材料の供給、造形、除去回収までを装置内で全て行うタイプの装置も出ているので、付帯設備の整備に関しても従来よりも簡単になってきた。また、造形後に切削加工までを自動に行うタイプの装置も出てきているので、表面の処理も含めて、より高い寸法精度を出すための追加工も容易に行えるようになっている。粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターは、従来よりも導入しやすく、使いやすさも年々より高くなってきている。

エンジンイメージ

まとめ

粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターは、他の造形方式では難しい各種金属素材の造形や、耐久性に優れている樹脂素材の造形が可能だ。造形できる材料の幅広さから、試作開発に留まらず最終製品の製造まで年々利用の場を広げている。切削、鋳造で加工が不可能だった形状や、金型での成形が難しい形状でも製作ができるので、設計、製造の可能性が広がる。デザインや構造、耐久性など、今までに無かった新しい製品を作りだせる可能性を秘めている。設計、製造の現場に導入することで、今まで解決できなかった問題が解決できるかもしれない。
価格が下がってきているとはいえ、即座に導入というのは難しいという場合は、出力サービスをおこなう施設で試してみることをお勧めしたい。実際に粉末焼結積層造形方式の3Dプリンターで造形することで、その可能性を体験できるだろう。

 

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