金属3Dプリンターは、3DCADデータをもとに金属製品を積層しながら製造する装置です。本記事では、金属3Dプリンターの設計上のメリットや造形方法、使用される材質などについて詳しく解説します。金属3Dプリンターによる機械加工部品の手配に関心のある方は、最後までご覧ください。
目次
金属3Dプリンターの設計におけるメリット
まずは、金属3Dプリンターの設計におけるメリットについて解説します。
複雑な造形が可能
金属3Dプリンターを用いる最大のメリットは、従来の加工方法では困難だった複雑な形状の造形が可能な点です。中空構造、格子構造、有機的な曲面など、従来の切削加工や鋳造では実現できなかったデザインを自由に作成できます。設計者は従来の制約から解放され、より創造的で効率的な設計ができるでしょう。
異種金属の積層
金属3Dプリンターの異種金属積層技術によって、これまでにない設計が可能となりました。特定の部位に異なる特性を持つ金属を使用して、製品全体の性能を大幅に向上させられます。たとえば、デポジション（DED）方式では、金属粉の供給経路を切り替えることで、摩耗しやすい部分に耐摩耗性の高い材料を積層するといった造形が可能です。
低コスト・短納期
試作品や小ロット品を短納期で低コストに製造できる点も、金属3Dプリンターのメリットです。従来の製造方法では必要だった金型や専用治具が不要であるため、初期投資を削減できます。また、デジタルデータから直接造形するため、設計変更にも柔軟に対応可能です。これにより、製品開発サイクルを短縮し、市場投入までの時間を大幅に短縮できるでしょう。
金属部品の修理・補修
金属3Dプリンターは、金型など既存の部品が破損・摩耗した際の補修にも活用できます。損傷した箇所に金属を積層造形して、切削加工で仕上げます。金属3Dプリントによる補修のメリットには、手作業が減り修理期間を短縮できること、従来のTIG溶接に比べて熱による金型へのダメージを抑えられ、金型の寿命を延ばせることが挙げられます。
金属3Dプリンターの造形工法
ここでは金属3Dプリンターの代表的な造形工法を5つ紹介します。
パウダーベットフュージョン（PBF）方式
PBF（パウダーベットフュージョン）方式は、薄く敷き詰めた金属粉末に、レーザーや電子ビームを選択的に照射し、溶融・固化させる方法です。高精度で複雑な形状の製造が可能であるため、航空宇宙産業や医療機器分野で広く活用されています。特に、高い精度と耐久性が要求される部品の製造に有効です。
デポジション（DED）方式（指向性エネルギー方式）
デポジション（DED）方式は、レーザーや電子ビームなどの熱源を用いて、金属ワイヤーや金属粉末材料を溶かしながら造形部分に直接積層させていく方法です。大型部品の製造や既存部品の補修に適しており、航空宇宙、造船、建築、エネルギー産業などで活用されています。金属部品の肉盛り補修や、異種金属の積層が可能な点もこの方式の特徴です。
バインダージェット方式
バインダージェット方式は、金属粉末に液体の結合剤（バインダー）を噴射して層ごとに固めて製品の形を成形し、最後に焼結工程を経て完成する造形方法です。造形速度が速く、サポート材が不要という特徴を持っています。複雑な形状の部品や小ロットの量産に適しており、主にジュエリーや小型部品の試作、自動車部品などに活用されています。ただし、他の方式と比べると密度や強度が低いため注意しましょう。
バウンドメタルデポジション（BMD）方式（FDM方式）
バウンドメタルデポジション（BMD）方式は、金属粉末とバインダーを混合したフィラメントを使用した造形方法です。FDM方式を応用したもので、材料を溶融・押し出しながら積層し、その後、脱脂と焼結工程を経て部品を製造します。オフィス環境での使用が可能であるため、複雑な形状の試作や少量生産に適しています。
アーク溶接方式
アーク溶接方式は、溶接機器を使用して溶接ワイヤーとシールドガスを連続的に供給し、積層する造形方法です。既存の汎用アーク溶接ワイヤーが使用できるため、材料コストを抑えられます。製造現場の部材や金型の補助材など、工場用途で活用されています。シールドガスの選択やパラメーター調整により、材料特性や造形品質を制御可能です。
金属3Dプリンターに使用される主な材質
ここでは、金属3Dプリンターで使用される主な材質について解説します。
ステンレス鋼
ステンレス鋼は金属3Dプリンターで、一般的に使用される材料のひとつです。耐食性、耐熱性、強度に優れ、幅広い用途に適しています。SUS316LやSUS304などの種類があり、それぞれ特性が異なります。医療機器、航空宇宙部品、工業用部品など、高品質で複雑な形状が要求される分野で用いられる材料です。ステンレス鋼についてさらに詳しく知りたい方は、こちらの記事もご覧ください。
アルミニウム合金
アルミニウム合金は、軽量性と高強度を兼ね備えた金属3Dプリンターの主要材料のひとつです。純アルミニウムに銅、マグネシウム、シリコンなどを添加することで、用途に応じた特性を調整できます。航空宇宙産業や自動車産業で広く使用されています。耐食性や加工性に優れ、複雑な形状の部品製造に適していますが、熱による変形に注意が必要です。
アルミニウム合金についてさらに詳しく知りたい方は、こちらの記事もご覧ください。
純チタン
純チタンは、チタンの純度が高い材料で、JIS規格では含有する酸素と鉄の量によって1種から4種に分類されます。1種が99.5％と最も純度が高く、柔らかで加工性に優れますが、強度は低めです。4種に向かうほど強度が増しますが、加工性は低下します。純チタンは耐食性に優れ、生体適合性が高いため、医療機器や化学プラントなどに広く使用されています。
ニッケル合金
ニッケル合金（インコネル625やインコネル718）は、高温強度と耐食性に優れた合金です。ニッケルを主成分とし、クロム、鉄、ニオブ、モリブデンなどを含みます。溶接性が良好で、航空宇宙産業やガスタービンなどの過酷な環境下で使用される部品に不可欠な材料です。金属3Dプリンターでの造形にも適しており、複雑形状の高性能部品製造に活用されています。
マルエージング鋼
マルエージング鋼は、金属3Dプリンターで広く使用されている材料です。ニッケル、コバルト、モリブデンなどを含有し、優れた強度と靭性を発揮します。造形後に熱処理を行うと高硬度が得られるため、複雑形状の金型や高性能部品の製造に適しています。加工性に優れ、溶接性が良好なのも特徴のひとつです。
金属3Dプリント造形品の二次加工
3Dプリントで造形したそのままの状態では、切削加工と比べると精度や硬度に課題がある場合があります。二次加工（後加工、最終仕上げ）として3Dプリント以外の加工技術と組み合わせることで、品質を向上させることができます。
金属3Dプリント造形品を仕上げるための二次加工を紹介します。
表面処理
金属3Dプリンターで造形された部品は、表面に凹凸が残る場合があるため、後処理として表面処理が重要です。主に、ショットピーニング、研磨、電解研磨といった手法で処理します。なかでも、ショットピーニングは小さな球状の粒子を高速で噴射し、表面を処理すると同時に、強度も向上するのが特徴です。これらの処理により、美観向上、摩擦低減、耐食性向上などの効果が得られます。
精度を上げる機械加工
高精度が要求される場合、金属3Dプリンターで造形された部品に対して追加の機械加工が必要です。一般的に、3Dプリント後の精度は±0.1mm程度ですが、より高い精度が必要な場合、精度を上げる機械加工を行います。この工程により、3Dプリントの自由度を生かしつつ、従来の機械加工の精度を実現した高品質な部品製造が可能となります。
塗装加工
金属3Dプリンターで造形した部品に塗装加工を施すことで、見た目や耐久性の向上が可能です。塗装は外観の美しさを高めるだけでなく、耐食性や耐摩耗性の向上にもかかわります。一般的には、下地処理、プライマー塗布、本塗装、クリアコートの順で行われ、部品の用途や環境に応じて、適切な塗料を選択することが重要です。
アッセンブリ
アッセンブリは、金属3Dプリンターで造形した部品を他の部品と組み合わせて最終製品に仕上げる工程です。3Dプリントの特性を活かし、複数の部品を一体化して造形すれば、従来のアッセンブリ工程を簡略化できます。また、異種材料との組み合わせや機能部品の埋め込みなどの活用も、アッセンブリ工程の簡略化に作用します。
熱処理（残留応力除去）
3Dプリンターでレーザー照射したあと急速に冷却すると、金属部品の物質の状態が変化し、膨張・収縮が起こるケースがあります。この状態変化は残留応力として造形物の内部に残るため、熱処理により除去する必要があります。「溶体化処理（固溶化処理）」は残留応力の除去や耐食性の向上のために施されます。また「時効処理」は造形物の硬度・靭性を高める目的で用いられます。
金属3Dプリント加工の見積もり依頼は「meviyマーケットプレイス」へ
ミスミの「meviy Marketplace（メビーマーケットプレイス）」では、3Dプリント加工サービスを提供しており、小ロット（1点）から製造可能です。メビーマーケットプレイスは、製造パートナーから“あらゆる機械加工部品をワンストップで手間なく”手配できる、日本最大級の製造業マーケットプレイスです。
新規の口座開設なしで、条件にマッチしたパートナーと直接やり取りして手配できるため、機械加工部品調達の手間を大幅に削減することができます。ぜひお試しください。
