金属3Dプリンタの種類と造形事例

1.金属3Dプリンタ（金属AM）とは︖

金属3Dプリンタとは、ステンレス、チタンなどの金属材料をレーザや電子ビームなどで溶融、焼結させ、層を積み重ねていくことで目的の立体形状に造形していく装置のことを示します。プラスチックなどの樹脂を造形する「樹脂3Dプリンタ」もありますが、金属材料は樹脂と比べ大きなエネルギーを必要とし、熱影響も大きく安定造形が難しいなどの課題があります。

一方、昨今は金属3Dプリンタの造形精度・速度向上などの技術革新が顕著であり、従来では困難であった新たな製造方法やものづくりの実現のため、自動車、航空、発電、医療などあらゆる製造業において普及が始まっています。なお、金属3Dプリンタは金属積層造形、金属AM（Additive Manufacturing）とも言われています。

2.金属3Dプリンタの種類と特長（主な方式）

金属3Dプリンタにおける代表的な方式として、パウダーベッド方式（PBF方式）とデポジション方式（DED方式）があります。造形するための材料は金属粉末と溶接用ワイヤに大別され、溶融、焼結させる熱源としてはレーザ、電子ビーム、アークなどが用いられます。

①パウダーベッド方式（PBF方式︓Powder Bed Fusion、粉末床溶融結合方式）

素材となる金属粉末を敷き詰め、造形する部分に熱エネルギー（電子ビーム、レーザなど）を照射し金属を溶かし固め、また粉末を敷き詰め溶融凝固と繰り返しながら一層ずつ積み上げていく造形方式。金属3Dプリンタにおいて、最も一般的な方式です。

サポートとは

PBF方式の金属3Dプリンタは造形時に発生する熱の影響で造形物が収縮することがあるため、反り、寸法誤差などを最小限に抑えるためにサポートを付ける必要があります。

サポートを設けることへの課題としては以下があります。

• サポートを含めた造形設計検討の必要性
• 造形後のサポート除去工程の必要性
• サポート部にも造形コストが発生

②デポジション方式（DED方式︓Directed Energy Deposition、指向性エネルギ堆積方式）

基となる部品（基材・部材）に対し造形材料（金属粉末もしくは溶接用ワイヤ）を供給しながら、熱エネルギー（レーザ、電子ビーム、アークなど）を照射し、金属を溶かし固め堆積させて肉盛りするような造形方式です。

②-1 パウダー×デポジション方式（DED方式）

金属粉末を吹きかけながら、レーザなどの熱エネルギーを照射して基となる部品（基材・部材）に金属粉末を溶融、堆積していく方式。熱源がレーザの場合は金属粉末が酸化を防ぐため、アルゴンガス（Ar）などの不活性化ガスを装置の造形エリア内に充満させて、造形を行うのが一般的です。基となる部品に薄い被膜のような追加造形や、異なる金属粉末を混ぜながら造形材料を供給することも可能です。

②-2 ワイヤ×デポジション方式（DED方式）

熱エネルギー（レーザ、電子ビーム、アークなど）を照射して基となる部品（基材・部材）に溶接用ワイヤを溶融、堆積していく方式です。造形が速く、大型部品の造形に向いており、一般市販の溶接用ワイヤを使用するため廉価です。また、爆発や健康被害の懸念がなく、安全で管理が容易です。高い構造強度と耐久性をもつ造形が可能であり、完成した造形物内に空孔が生じにくいといった特長もあります。

3.【デポジション方式（DED方式）】三菱電機ワイヤ・レーザ金属3Dプリンタの特長

デポジション方式（DED方式）、供給材料に溶接用ワイヤ、熱源にレーザ（ファイバレーザ）を採用した三菱電機ワイヤ・レーザ金属3Dプリンタ「AZ600」を2022年3月に発売開始しました。

長年培った自社技術、自社キーコンポ―ネントを結集し、空孔のない安定した造形を実現します。

• ワイヤ放電加工機 → ワイヤ送給技術
• 板金レーザ加工機 → レーザ出力制御技術
• 数値制御装置(CNC) → 協調制御技術（5軸制御×ワイヤ送給制御×レーザ出力制御）

緻密な積層造形

造形状態に応じて自動調整

センシング、溶融モニタリングにより、造形状態に合わせて、①ワイヤ送給速度、②レーザ出力、③軸移動を自動調整。独自の造形プロセス制御により、造形破綻、空孔のない安定した造形を実現します。

4.【デポジション方式（DED方式）】三菱電機ワイヤ・レーザ金属3Dプリンタの造形事例（適用事例）

①ニアネットシェイプ工法

従来工法では切削のみで部品を製造していたのに対し、基となる部品（基材・部材）に必要な箇所のみ造形し後加工（切削）することで、加工時間、材料廃棄量、製造コストを削減する工法です。

ニアネットシェイプ方式を取り入れ、従来工法に比べて大きく効率化することが可能です。

②溶接代替（部品溶接自動化）

従来のTIG溶接（熟練工による手作業）を金属3Dプリンタに置き換えることで手作業によるばらつきを抑え、品質の安定・高速・省人化を図る工法です。センシング、溶融モニタリングによる自動調整が可能なため、溶接用ロボットでは難しい溶接にも対応します。また一部は溶接、一部は造形など一台二役を担うこともできます。

ステンレス鋼への開先溶接事例

• ■基材：ステンレス鋼SUS304
• ■造形材料：ステンレス鋼SUS308L
• ■造形時間：10 min（ビード17層）

③金型補修

使用回数限度を超えダメージを受けた金型を、造形によって補修する工法です。従来のTIG溶接（熟練工による手作業）補修に対し、ばらつきの少ない高品質な補修かつ作業時間の短縮が可能です。

従来

金属3Dプリンタ

④異種金属造形（コーティング、高機能部品化）

部品、金型、工具などの強度を高めたい（衝撃を受けやすい）部分のみに、基となる部品（基材・部材）とは異なる金属材料を造形する工法です。

耐摩耗性向上、耐食性向上、硬度向上など部分的な高機能部品化を実現します。

• 1 StelliteはKennametal Inc. の登録商標です。
• 2 HASTELLOYはHaynes International, Inc. の登録商標です。
• 3 INCONELはSpecial Metals Corporationの登録商標です。

5.受託造形サービスのご紹介

三菱電機ではワイヤ・レーザ金属3Dプリンタによる受託造形サービスを開始しました。新たなものづくりを試してみませんか︖

受託造形サービスの流れ