アディティブ
マニュファクチャリングとは？
アディティブ
マニュファクチャリングとは？
アディティブマニュファクチャリングの産業的な起源は、1980年代中頃にさかのぼります。1984年に、米国の物理学者チャック・ハルが光造形法の特許を取得しました。これは、レーザビームによってタンク中の液体プラスチックを層ごとに硬化する方法です。この材料の積層によって、望みどおりの部品を作れるようになりました。複雑な形状でも、内部に細線構造がある部品であっても、3Dモデルデータから直接製作することができます。
アディティブマニュファクチャリングは、設計において無限の自由が得られるため、光造形法の誕生以来、世界中の研究者は胸を躍らせ、まったく新しい加工方法や新素材の開発を活発に進めました。今では、使用できる材料は、プラスチックだけでなく、セラミック、繊維素材、さまざまな種類の金属など広い範囲にわたっています。しかし、専門家によれば、アディティブマニュファクチャリングはまだその秘めたる可能性の初期の段階にあると言われています。
したがって現時点では、アディティブマニュファクチャリングとは何か、という問いに対しては、その多様性をすべて網羅して答えを出すことも、最終的な答えを出すこともできません。しかし、少なくともそれらには共通点があり、そこから導き出された定義があります。この定義によれば、アディティブマニュファクチャリングとは、3Dモデルデータを基に、材料を結合して造形物を実体化する加工法であり、一般的には造形層を積み重ねる方式と定義されています。さらにISO/ASTM 52900では、商業的に利用可能なアディティブマニュファクチャリングシステムを7つの方式に分類しています。それらの違いは、造形物の積層方法の違いによります。
DMG MORIは、アディティブマニュファクチャリングにおいて、LASERTEC SLMおよびLASERTEC DEDまたはLASERTEC DED hybridを提供しており、SLM（パウダーベッド）方式およびDED（指向性エネルギー堆積）方式のユニークなターンキーパートナーとして知られています。（出典：DMG MORI）
輝かしい7つの
アディティブ
マニュファクチャリングの世界
一部の積層方式は、インクジェットプリンタに似ているため、3Dプリンティングという用語もアディティブマニュファクチャリングを表現するものとして一般的に使われています。基本原理は、素材やワークを造形するために材料を結合する方式によって分類されます。たとえば、使用される素材としては、液体、粉体、粘性液体、固体があります。使用する技術に応じて、これを溶融、焼結、積層、接着、重合することによって硬化させて造形します。
国際規格であるDIN EN ISO/ASTM 52900では、アディティブマニュファクチャリングシステムを7つの方式に分類しています。この分類は、材料の造形層を作る方式の違いによるものです。
| ADDITIVE MANUFACTURING TECHNIQUES | アディティブ マニュファクチャリング方式 |
| Vat Photo Polymerization | 液槽光重合 |
| Power Bed Fusion | 粉末床溶融結合 |
| Binder Jetting | 結合剤噴射 |
| Material Jetting | 材料噴射 |
| Directed Energy Deposition | 指向性エネルギー堆積 |
| Sheet Lamination | シート積層 |
| Material Extrusion | 材料押出 |
- 1粉末床溶融結合（PBF）
- 粉末床溶融結合方式（powder bed fusion）は、金属分野で主流となっています。これは、初期の光造形法と同じように、材料の造形層を積み重ねることによって部品を製作します。各造形層は、製作する物体の3DCAD形状の水平方向の「スライス面」に対応しています。これらの造形層をもとに、制御プログラムの算出が行われ、スライス面にレーザまたは電子ビームを高精度に照射して材料を溶融させます。溶融された領域が前の造形層に付着し、材料が冷えると凝固します。これを繰り返すことにより、新しい造形層を形成します。DMG MORIは、LASERTEC SLMシリーズによって確固たる存在感を示しています。
- 2材料押出（MEX）
- 材料押出方式（material extrusion）は、材料がノズルから供給されます。移動するノズルは、エクストルーダとも呼ばれ、材料の造形層を供給します。その後、エクストルーダまたは造形プラットフォームが上昇または下降して、造形を繰り返します。MEXは、さまざまな材料のプリンティングに利用できます。多くの場合、材料は熱可塑性樹脂であり、いわゆるフィラメントの形態になっています（たとえば、ABS、ナイロン、PEEK、PLAなど）。また材料押出方式では、ペースト状の材料を加工できます。例としては、コンクリート、セラミックの他に、チョコレートやパン生地などの食品も挙げられます。
- 3液槽光重合（VPP）
- VPP方式（bath-based photopolymerization）では、タンクの中で光重合によって液体ポリマー樹脂を硬化します。一般的なVPP方式は、デジタル光処理（DLP）と組み合わせて、樹脂を硬化させ、エネルギー源は、レーザまたは発光ダイオード（LED）を使用します。レーザを使用したVPPシステムでは、1つの造形層を硬化させてから造形プラットフォームを下降させ、造形領域に液体光硬化樹脂の新しい造形層をつくります。
- 4結合剤噴射（BJT）
- 結合剤噴射方式（free-jet binder application）では、プリントヘッドが結合剤の液滴を材料に噴射して、あらかじめ定義したパターンに従って粒子を融合させます。ポリマー、金属、セラミック、砂を造形できます。造形層ができた後、造形プラットフォームが下降して、新しい層をつくるため造形プラットフォーム上に粉末が供給されます。結合剤噴射で作られた造形物は、機械的特性を向上させるために後処理が行われます。後処理としては、結合剤を追加すること、または造形物を焼結炉に入れて粒子を焼き固めることなどがあります。
- 5材料噴射（MJT）
- MJTプロセス方式（free jet material application）では、光硬化樹脂またはワックス状の物質の液滴をノズルヘッドから噴射します。その後、紫外線によって材料を硬化します。1つの層を硬化した後、プリントヘッドのノズルは、新しい材料を噴射して造形層を積み重ねていきます。この方式は、異なる組み合わせの材料をプリントできるので、3Dプリンティングした造形物全体にわたって異なる材料特性の付加や色付けすることができます。
- 6指向性エネルギー堆積 （DED）
- 指向性エネルギー堆積方式（directed energy deposition）では、集束させた熱エネルギーによって材料を溶融します。素材は、金属粉末またはワイヤーのどちらかです。この方式では、ニアネットシェイプの造形物ができ、通常は必要な公差を得るためには機械加工が必要です。多くの場合、DED方式による加工機は切削加工との複合加工が可能となっています。DMG MORI製品では、LASERTEC DED hybridシリーズがあります。DED方式では、複数の材料を造形することもできます。例えば、この方式を使って、損傷した部分に造形することによって、金型などの摩耗が発生したりクラックが入ったりした部品を修復するという利用方法もあります。
- 7シート積層（SHL）
- シート積層方式（DIN: layer lamination）にも、薄い材料の層を積み重ねることによって、部品を接合する工程が含まれています。この場合、結合剤または溶接加工を使用します。加工できる材料としては、金属、紙、ポリマーまたは複合材料があります。造形層の輪郭は、造形層を作ったり材料を供給したりする前または後に、機械加工によって形成されます。可能な加工の形態としては、超音波アディティブマニュファクチャリング（UAM）、選択的堆積積層（SDL）、積層造形物製造（LOM）などがあります。これらの方式は、他のアディティブマニュファクチャリング技術と比べて、かなり安価で迅速ですが、精度の高い部品には向いていません。
アディティブ
マニュファクチャリングの可能性
アディティブマニュファクチャリングは、形状の多様性や、幅広い材料など多くの利点があるので、機械、金型、医療、航空宇宙など多くの産業分野ですでに確固とした地位を築いています。しかし、将来的な発展性という観点で見れば、この技術はまだ初期段階と言えます。アディティブマニュファクチャリングは、工業生産において大きな変化をもたらす力を持っていると言われています。それは、個々の顧客特有の製品を、迅速かつコスト効率よく生産できるという可能性を秘めているからです。この技術が成熟する過程において重要な項目として、材料、造形サイズ、精度、信頼性、加工再現性があります。また、間接的な課題としては、後加工の自動化、アディティブマニュファクチャリングおよび試験プロセスの標準化、そして、オペレーターとエンジニアのトレーニングという側面もあります。
また、アディティブマニュファクチャリングは、工業だけにとどまるものではありません。インプラントや人工関節の製作の他に、医療分野では、診断、外科手術などへの活用があります。このほかにも「バイオプリンティング」の将来性にも、大きな期待がもたれていますが、人体の細胞の「プリンティング」は、まだ基礎研究の段階です。
建築や建設におけるアディティブマニュファクチャリングは、実用化にかなり近づいています。建設デザイン用の設計モデルの製作は、すでに一般的になっており、家の骨組みの造形も、もはや夢物語ではありません。特にこの分野においては、アディティブプロセスの生産性、自動化の可能性および環境適合性などの側面からも利用が高まっています。
さらに個人の間では、アディティブマニュファクチャリングの利用が進んでいます。３Dプリンタがディスカウントストアで販売されており、例えば、自分のフィギュアを作ったり、機械工作を趣味とする人の間で使い方のノウハウやデータを交換するコミュニティが出来ていたりします。このように社会においてアディティブマニュファクチャリング技術やイノベーションに対する関心が高まることも、アディティブマニュファクチャリングの普及の重要な効果の1つです。またアディティブマニュファクチャリングは、生産で消費されるエネルギーと材料が少なく、廃棄物も少ないので、環境保護にも大いに貢献できると考えられています。