17の金属3D印刷技術

金属3D印刷は、すべての3D印刷の集大成と見なされています。 強度と耐久性に関しては、金属に匹敵するものはありません。 初期の金属3D印刷特許は、1990年代にドイツのEOSによって取得されたDMLS（Direct Metal Laser Sintering）でした。 それ以来、金属3D印刷は、さまざまな種類の印刷プロセスを徐々に開発してきました。 現在、すべての金属3Dプリンターは通常、粉末床溶融、バインダー注入、直接エネルギー堆積、および材料押し出しの4種類のプロセスのいずれかを使用します。

△金属3Dプリント

金属粉末ベッドフュージョン

一般的に使用されるプロセス：DMLS（直接金属レーザー焼結）、SLM（選択的レーザー溶融）、EBM（電子ビーム溶融）。

説明：PBF溶融技術を使用して製造された金属部品は、残留応力と内部欠陥を低減できるため、航空宇宙および自動車産業での要求の厳しいアプリケーションに最適です。

直接金属レーザー焼結（DMLS）：ほとんどすべての金属合金でオブジェクトを構築するために使用できます。直接金属レーザー焼結は、印刷される表面に金属粉末の非常に薄い層を広げます。レーザーはゆっくりと着実に表面を横切ってこの粉末を焼結し、金属の内部粒子は、完全に溶融した状態に加熱されていなくても、融合します。次に、粉末の追加の層が適用され、焼結されて、一度にオブジェクトの1つの断面が「印刷」されます。印刷後、オブジェクトはゆっくりと冷却され、余分な粉末はビルドチャンバーから回収してリサイクルできます。 DMLSの主な利点は、生成するオブジェクトに残留応力や内部欠陥がないことです。これは、高応力下の金属部品（航空宇宙や自動車部品など）にとって非常に重要ですが、主な欠点は非常に高価であるということです。

選択的レーザー溶融（SLM）：高出力レーザーを使用して、焼結だけでなく金属粉末の各層を完全に溶融し、生成される印刷物が非常に緻密で強力になるようにします。現在、このプロセスは、ステンレス鋼、工具鋼、チタン、コバルトクロム合金、アルミニウムなどの特定の金属にのみ使用できます。 SLM製造プロセスで発生する高温勾配は、最終製品に応力と転位を引き起こし、物理的特性を損なう可能性もあります。
7000ｍｗレーザーポインター
電子ビーム溶解（EBM）：選択的レーザー溶融と非常によく似ており、緻密な金属構造を生成できます。これら2つの技術の違いは、EBMがレーザーの代わりに電子ビームを使用して金属粉末を溶融することです。現在、電子ビーム溶解は限られた数の金属にしか使用できません。コバルト-クロム合金も使用できますが、チタン合金は依然としてこのプロセスの主な原料です。この技術は、主に航空宇宙産業向けの部品の製造に使用されます。

技術的利点：ほとんどすべての幾何学的形状を高精度で製造できます。従来の製造技術では加工が難しい最軽量のチタン合金や最強のニッケル超合金など、幅広い金属が使用されています。機械的特性は鍛造金属に匹敵するものであり、従来の金属部品のように機械加工、コーティング、および処理することができます。

技術的な欠点：材料費、機械費、運用費が高い。パーツは、（反りを防ぐために）サポート構造を介してビルドプレートに接続する必要があります。これにより、廃棄物が発生し、手動による後処理と取り外しが必要になります。ビルドサイズは限られており、金属粉末の取り扱いは危険であり、厳密なプロセス制御が必要です。

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△PBF粉末床溶融

金属バインダー噴射

一般的に使用されるプロセス：MJF（マルチジェットフュージョン）、NPJ（ナノ粒子ジェット）

説明：このテクノロジーは、インクジェットを使用して、バインダーを平らな粉末ベッドに選択的に滴下します。液滴を受け取る領域は固化し、残りの粉末は緩んだままになります。オブジェクト全体が生成されるまで、上記の手順をレイヤーごとに実行します。このプロセスは、金属、砂、セラミック、その他の材料の処理に使用できます。金属接着剤噴霧機は室温で作動するため、反りがなく、サポートも必要ありません。したがって、バインダー噴霧機は粉末床溶融機よりもはるかに大きく、オブジェクトを積み重ね、ビルドルーム全体を最大限に活用することができ、少量のバッチ生産やオンデマンド製造に人気があります。

技術的な利点：大量の印刷が可能で、パーツをビルドプレートに接続する必要がないため、使用可能なすべてのビルドボリュームを利用するためにネストすることができます。ジオメトリにはほとんど制限がなく、通常はサポートは必要ありません。反りがないので、より大きな部品を作ることができます。印刷速度は非常に速く、コストは粉末床溶融金属印刷よりも低くなります。

技術的な欠点：部品は印刷後に時間のかかる脱脂および炉焼結プロセスを経る必要があり、機械および材料のコストが高くなります。気孔率は粉末床溶融よりも高いため、機械的特性はそれほど良くなく、選択できる材料が少なくなります。

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△粘着ジェット3Dプリンター

直接エネルギー沈着

一般的に使用されるプロセス：DED（直接金属蒸着）、WAAM（アーク積層造形）、LMD（レーザー材料蒸着）

説明：この方法は、金属粉末であろうとワイヤーであろうと、金属を圧搾し、すぐに高エネルギーの衝撃を受けます（溶融はプラズマアーク、レーザー、または電子ビームによって達成できます）。エネルギーが金属を溶かし、溶けたプールがすぐに3D空間に降下し、その位置がメカニカルアームによって操作されます。溶接と非常によく似ているため、主な用途の1つは、既存の金属部品を修理し、部品の機能を向上させることです。

技術的利点：金属ワイヤーは、金属3D印刷材料の最も手頃な形態です。一部の機械では、2つの異なる金属粉末を使用して、合金や材料の勾配を作成することもできます。 5軸および6軸のモーションでは、サポートマテリアルを使用せずにモデルを作成できます。損傷した金属部品を修理し、新しいコンポーネントを追加できます。ビルドボリュームが大きく、材料が効率的に使用され、部品密度が高く、機械的性能が良好で、印刷速度が速い。

技術的な欠点：部品の表面品質が悪く、通常は機械加工と仕上げが必要であり、細部を実現するのは困難または不可能です。機械的および運用コストは高いです。

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△レーザー金属蒸着（LMD）

金属材料の押し出し

一般的に使用されるプロセス：FDM（溶融堆積モデリング）/ FFF（ヒューズ製造）

説明：このテクノロジーは、中小企業が使用できる安価な金属3D印刷を可能にするために特別に作成されました。設計スタジオ、機械工房、小規模メーカーは、金属材料押出機を使用して、繰り返し設計し、器具と器具を作成し、少量のバッチ生産を完了します。この分野での最新の開発は、ほとんどのデスクトップFDM 3Dプリンターで使用できる金属線であり、ほとんどすべての人が金属3D印刷を利用できるようになっています。金属押し出しの動作原理：

小さな金属粒子を含浸させたポリマーフィラメントまたはワイヤーは、設計された形状に従って層ごとに3Dプリントされます。

3D印刷された部品を清掃し、接着剤をいくつか取り除きます。

部品を焼結炉に入れると、金属粒子が溶けて固体金属になります。

技術的な利点：手頃な価格で、シンプルで安全に操作できます。

技術的な欠点：部品は、バインダースプレー部品と同じ脱脂および焼結プロセスを経る必要があります。反りを防ぐためには、形状とサポートにさらに制限が必要であり、部品の気孔率は高く、鍛造金属と同じ機械的特性を実現することはできません。部品はPBFやDEDを使用するほど密度が低く、炉内の収縮は正確ではありません。

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その他の金属3Dプリントプロセス

ジュール印刷：デジタル合金のジュール印刷はDEDによく似ていますが、ワイヤーはアークや光線で加熱されるのではなく、電流で溶けます。これにより印刷が高速になり、1時間あたり最大2キログラムのチタンを印刷できることが証明されています。

液体金属添加剤の製造（液体金属添加剤の製造）：Vader Systemsは、インクジェットプリンターと同様の方法で、1200°Cで液体金属の液滴を堆積させる液体金属添加剤の製造技術を開発しました。

電気化学的堆積：ExaddonのCERESナノスケール金属3Dプリンターは、電気化学的堆積を使用して、人間の髪の毛の幅よりも小さい金属物体を生成できます。

DLP金属印刷（DLP金属印刷）：ADMATECとProdwaysは金属DLP印刷を提供します。金属粉末をフォトポリマー樹脂と混合する金属材料の押し出しと同様に、3D印刷された部品は、金属材料の押し出し方法と同じように、同じ脱脂および焼結プロセスを経る必要があります。

コールドスプレーメタルプリンティング：コールドスプレーメタルプリンティングは、もともとNASAが宇宙に金属オブジェクトを構築するために使用していました。主な機能は高速（1時間あたり6 kgのアルミニウムまたは銅）ですが、欠点はそれほど正確ではないことです。オーストラリアの企業であるTitomicとSPEE3Dは、このテクノロジーのリーダーです。

超音波圧密（UAM）：音を使用して薄い金属箔層を結合し、各層の余分な部分を処理してから次の箔層を結合します。これは、積層造形とサブトラクティブ製造の組み合わせです。 FabrisonicのSonicLayer3Dプリンターシリーズはこのテクノロジーを使用しています。

レーザーエンジニアリングネットシェーピング（LENS）：これはレーザーベースの方法であり、非常に制御可能な環境が必要です。このプロセスには密閉されたチャンバーが必要であり、通常、アルゴンを使用して酸素をパージし、酸化レベルを可能な限り低く保ちます。 LENSレーザーの出力範囲は500Wから4kWです。チタン、ステンレス鋼、インコネルの加工に使用できます。嫌気性チャンバーを維持することは困難ですが、LENSはユーザーにより良い精度と制御を提供します。

電子ビームフリーフォームマニュファクチャリング（EBF3）：元々NASAによって開発された、主に航空宇宙産業で使用される方法です。この方法は、材料を無駄にすることなく複雑な幾何学的形状を作成でき、軽量形状を作成して燃料節約を促進できます。