2019.02.05Editor: Theresa Knell

Additive manufacturing processes open up completely new design possibilities.は、全く新しいデザインの可能性を開くものです。

Additive Manufacturing は、製造業においてますます重要な役割を果たしており、主に工具製作やプロトタイプ製作に使用されます

Additive Manufacturing: 定義と説明

この製造プロセスは、とりわけ工具製作（ラピッドツーリング）、最終製品の製造（ラピッドマニュファクチャリング）、試作品の製作（ラピッドプロトタイピング）で使用されています。 アディティブマニュファクチャリングは、製造技術の観点からどのように分類されるのでしょうか。 製造技術は一般的に3つの柱で成り立っています。

• Subtractive Processes（何かが削られる）。 フライス加工、旋盤加工など。

• Formative Processes（材料を再設計する）。 鋳造、鍛造など

• Additive Processes (something is added): 3D printing, etc.

Additive Manufacturingは、製造する部品が材料の追加によって構築されるプロセスを説明しています。 構造は層状に行われる。 これには次の2つの側面がある。

1. 部品は異なる層で構成される。 通常、下から上に向かって行われます。 簡単に言うと、砂のお城を作るのと同じ原理です。 新しい層は、塔を構築するために、建物のプラットフォームに適用されます

2. 異なるプロセスが層で繰り返し行われます（つまり、1つの後に）。 これは、材料の供給、溶融（成形）、そして最後に前の層との結合を含みます。 プロセスチェーンと呼ばれるこれらのステップは、どの機械でアディティブ・マニュファクチャリングを行うかに関わらず同じです。 唯一の違いは、個々の層の作成方法です。

このようにして、積層造形は3Dオブジェクトの作成を可能にします。 これを可能にするために、機械はまず、製造する部品の3D設計仕様（「3次元CAD」）を必要とする。 外形データ（長さx、高さy）、層数（z）、層厚（dz）から構成される。 モデルを適切な層に分割するのは、対応するコンピュータープログラムの仕事です。 次に、ソフトウェアは、データセットを製造命令の形で機械（例えば、3D金属印刷用プリンター）に送信します。

どのように機能するか

ほとんどすべての場合、積層造形は粉体床を使用します。 これは、粉末状の材料をベッドに供給し、そこでさらに処理することを意味します。 たとえば3Dメタルプリントでは、金属（または複数の金属）を粉末にしてからチャンバーに投入し、再構築します。 粉末から層を生成する一般的な方法は 4 つあります。

• Selective Laser Sintering (SLS)

• Selective Laser Melting (SLM)

• Electronic Beam Melting (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS.SLS: 選択的なレーザー焼結法（SLS)、バインダージェッティング法（BJ: Binder Jet）。 焼結は、圧力下で材料を加熱することを含みますが、溶融するところまではいきません。 レーザー技術により、アンダーカットを使用して3次元形状を作成することができます。 通常、CO2レーザーまたはファイバーレーザーがこれに使用されます。

SLM: 粉体を高エネルギーのファイバーレーザーで加熱し、その後冷却します。 部品の形状は、レーザービームの狙い通りの偏向によって作られる。 SLSよりもSLMの方が使用頻度が高くなっている。 圧力をかけないので、強度が高く、耐久性に優れています。 このプロセスは、3D金属プリントによく使用されます。

EMD/ EBM：原理的にはSLMと似ている。 しかし、このアプリケーションでは、レーザービームではなく電子ビームを使用する。 プロセス全体は真空中で行われる。 SLMより高速だが、精度が低く、最大プリント量も少ない。 EMDの機械は平均して直径350mm、高さ380mmです。 SLMはその2倍の大きさです。 EMDは特に、小さな部品を大量に生産する場合に理想的な積層造形技術です。 このプロセスは、3D金属プリントにもよく使われる。 粉末を液体の結合剤で選択的に堆積させ、層を形成する。 このプロセスは、異なる色で非常にシンプルな構造を可能にするという利点があります。

Other Manufacturing Processes

これら 4 種類の積層造形を他のプロセスで補完または置換することが可能です。 例えば、

• Stereolithography がこれに該当します。 これは、アディティブ・マニュファクチャリングの典型的なケースです。 このプロセスは、1983年にChuck Hullによってすでに開発されていた。 液状のフォトポリマー・バスの中に、対象物を徐々に降ろしていく。 レーザーで加工する。

• Fused Layer Modelling (FLM)。 3Dプリントの通常の手順です（プラスチックで）。 特殊な押し出し加工で、冷却後にノズルから材料を「押し出し」て成形します。 通常通り、押し出しは層状に行われます。 自動車産業やエレクトロニクス産業などでは、FLMがSLMオブジェクトを補完することがよくあります。 3D金属印刷は、例えばFLMで補完することができます。

Areas of Application

Additive Manufacturing Processの適用分野は、3つに分類される。 これらの応用分野は、しばしば技術と同一視されることがある。

• ラピッドプロトタイピング（Rapid Prototyping）。 アディティブ・マニュファクチャリングは、モデルの迅速な構築を可能にするために使用されます。 製品開発の早い段階で、物理的なモデルが利用可能であるべきです。 ラピッドプロトタイピングは、これらのモデルを特に信頼性の高い方法で製造することを可能にする。

• ラピッド・ツーリング。 ドイツでは、射出成形や金属鋳造用の小シリーズの工具は、通常3D金属プリントによって製造されます。

• ラピッドマニュファクチャリング。 これは、最終製品または部品として使用されるオブジェクトを迅速に製造することを含む。 ラピッドプロトタイピングとは異なり、モデルは生成されず、すぐに使える部品が生成されます。

Pros and Cons of Additive Manufacturing

Additive Manufacturing の利点は何ですか。

• 個性化

• デザインの自由度

• スピード

工具や金型不要

最も重要な利点の 1 つは、オブジェクトを希望どおりにカスタマイズできることです。 たとえば、さまざまな厚さの壁、非常に微細な構造、または非常に小さな寸法を製造することが可能です。 さらに、他の製造プロセスでは不可能な、複雑な形状を3Dメタルプリントで実現することが可能です。 例えば、空洞、アンダーカット、アーチやオーバーハングを持つチャンネルなどです。 従来は、製造可能な範囲内で設計する必要がありましたが、3Dメタルプリントを利用することで、製造可能な範囲内で設計することができます。 しかし、アディティブ・マニュファクチャリングでは、この制約がほとんどなくなるため、特に3Dメタルプリントでは大きなメリットとなります。 さらに、他の製造プロセスが数日または数週間かかるのに対し、オブジェクトの付加製造は通常数時間しかかかりません。

Additive Manufacturing には、以下のデメリットもあります：

• Unavoidable Finishing

• Limited suitability for industrial mass production

オブジェクトが特定の表面品質を要求する場合、後処理が不可避であります。 また、一定の公差を維持しなければならない場合も同様です。 これに関する標準はまだありません (ISO/ASTM 52195 は、しかし、対応する方法でさらに詳しく説明される可能性があります)。 たとえば、3D 金属印刷では、通常、1 台の機械で同時に最大 2 つのオブジェクトを製造することができます。 一方、従来の製造方法では、はるかに大量に生産することができます。 そのため、アディティブ・マニュファクチャリングは、工業的な大量生産には限られた範囲でしか適していない。 その最たる例が、自動車の生産です。 理論的には、自動車全体をアディティブ・マニュファクチャリングで製造することが可能です。 しかし、部品点数が多いため、コストがかかりすぎる。 そのため、ほとんどの部品は従来の方法で製造され続けています。

Duality of Costs

専門家によると、投資の問題は議論のあるテーマだそうです。 なぜなら、機械の取得費用の価格帯は15ユーロから10万ユーロ以上までと幅広いからだ。 他の機械と比べれば、特別に高いというわけではありません。 メンテナンス費用を含めれば、やはりそうなります。 したがって、特に医療技術の分野では、アディティブ・マニュファクチャリングはコスト面で大きな優位性を持っています。 しかし、産業用途では事情が異なります。 例えば、この分野では、3D金属プリンターは従来の生産システムを補完するものです。 しかし、完全に置き換えることはできません。 ここでは、アディティブ・マニュファクチャリングは追加的なコストを引き起こすのです。

Additive Manufacturing in the Future

Additive Manufacturingには素晴らしい未来が待っています。 SAMGはこのように総括している。 現在の積層造形の発展は、過去に行われた研究での予測をすでに上回っている。 チューリッヒ工科大学のような有名な研究機関は、機械工学や工具製作において、3D金属プリンティングの重要性がますます高まることを確信しています。 その目的は、積層造形が高速かつ高精度になり、連続生産に適するようになることです。 現時点では、積層造形の可能性はまだCNC制御の機械と競合しており、CNC制御の方が連続生産に適している。 長期的な目標は、将来的に複雑な物体の3D金属プリントはCNCを追い越すことです。

宇宙・航空産業は、3Dプリンティングの成功利用を担っている。 自動車分野では、特にスペアパーツが添加剤を使って製造されています。 ここでは、アディティブ・マニュファクチャリングの使用に関するさらなる情報を、記事の概要でご覧いただけます。

この記事は、MM Internationalが最初に公開したものです。