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3Dプリンティングと従来の機械加工

3Dプリンティング（3D Printing）は、別名アディティブ・マニュファクチャリング（Additive Manufacturing、略してAM）とも呼ばれ、1990年代に台頭しました。従来の「削り出し」加工手法とは異なり、3Dプリンティングはコンピューターソフトウェアを基盤とし、設計やスキャンなどの手段によって三次元モデルを構築したうえで、離散材料（粉末やフィラメント）を層ごとに積層することで成形する技術です。

公開日:

2023-05-09

付加製造— 3D 印刷する

一、業界の紹介

3D 印刷する（3Dプリンティング）、別名付加製造（積層造形、略して午前) 、1990年代に台頭した。従来の「削り取り」加工法とは異なり、 3D 3Dプリンティングは、コンピュータソフトウェアを基盤とし、設計やスキャンなどの手法によって3次元モデルを構築し、離散材料を層ごとに積層することで実現されます。 ( 粉末、ワイヤー ) 加工成形の一技術。 3D 3Dプリンティングでは、多くが球状粉末を原料とし、集中的な熱源によって選択的に溶融させ、その後の冷却により固化して造形品を形成します。。

3D 印刷する 3D 製品を印刷する

3D 印刷の主な分野の一つは航空航空宇宙産業において、現代のジェットエンジンには数千に及ぶ部品が含まれており、その一部（例えばタービンブレードなど）は図… 1 ）厳格な仕様に従い、単一の材料を使用する必要があります。金型製造。使用 3D 3Dプリンティングで製造されたエンジン部品には、ターボチャージャーのインペラ、ブレード、燃料噴射ノズルおよびその他の部品が含まれます。

（図1）

二、 3D 印刷技術 比較すると 伝統的な製造技術の製造上の優位性

現在の金属 3Dプリンティング技術は、加工可能な材料の種類、加工精度、表面粗さ、加工効率などの点で、従来の精密加工技術に比べて依然として大きな差があるものの、その全く新しい技術原理と製造方式には、従来の精密加工にはない圧倒的な優位性も存在し、具体的には以下のとおりである：

（ 1）新製品の研究開発および実用化サイクルの短縮。3Dプリンティングによる造形プロセスは、3次元モデルから直接駆動されるため、金型や治具などの補助工具を必要とせず、製品の開発期間を大幅に短縮できるとともに、高価な金型製作費用を削減し、製品開発のイテレーション速度を向上させます。

（ 2）より複雑な構造を高効率で成形できる。3Dプリンティングの原理は、複雑な三次元形状を二次元の断面形状に分割して積層造形することであるため、従来の精密加工では実現が困難な複雑な部品の成形が可能となり、部品の歩留まりを向上させるとともに、製品品質も向上させる。

（ 3）一体化・軽量化設計の実現。金属3Dプリンティング技術の導入により、複雑な部品の構造を最適化し、性能を確保したうえで、複雑な構造を変換・再設計して簡素な構造へと置き換えることで、重量の軽減が図れます。さらに、3Dプリンティング技術は部材の一括成形を可能にし、製品の信頼性を向上させます。

（ 4）材料利用率が高い。従来の精密加工技術に比べて、金属3Dプリンティング技術は大量の材料を節約でき、特に高価な金属材料の場合には、大幅なコスト削減が実現できる。

（ 5）優れた機械的性能の実現。3Dプリンティングによる急速凝固プロセスの特長に基づき、成形後の部品は内部の冶金品質が均一で緻密であり、その他の冶金欠陥も存在しない。さらに、急速凝固の特性により材料内部の組織は微細な亜構造を呈し、成形部品は塑性を損なうことなく強度を大幅に向上させることができる。

三、 3D 印刷用高温合金粉末材料産業の現状

3Dプリンティング用の球状粉末の製造方法には、アトマイゼーション法、プラズマトーチアトマイゼーション法、回転電極アトマイゼーション法、カルボニル法などがある。なかでも最も広く用いられているのはアトマイゼーション法である。

1. エアロゾル化による球状金属粉末の製造メカニズムの概要

に基づいて見るとドムブロフスキーの研究では、気霧化プロセスは一次破砕、二次破砕、ならびに球化と凝固の3つの段階に分けられ、主に気流の分布状態、合金の溶解、溶融金属の破砕、球化、凝固などの過程から構成されており、気霧化プロセスおよび噴霧の写真（高速カメラによる撮影）図1に示すとおりである。まず、気流が霧化ノズルを通過して加速し、安定した気流場を形成する。その後、溶融金属液流がこの気流に接触すると、高速・高圧の気流が液流を衝撃・破砕し、気体の運動エネルギーを金属熔滴の表面エネルギーへと変換して微細な熔滴を生成する。さらに、熔滴は気流の曳き作用により高速で飛行し、その途中で表面張力の影響を受けて球状化され、高速の霧化気流中で急速に冷却・凝固することで球形の粉末粒子が得られる。

気霧化プロセスの模式図(a) スプレー写真(b)

2. 金属粉末材料

現在において 3Dプリンティング産業において、金属3Dプリンティングはかなりの割合を占めており、さらに金属3Dプリンティング技術の成熟とコストの大幅な低下に伴い、その適用範囲・深度・規模は次々と拡大しています。例えば、航空宇宙分野では、金属3Dプリンティングが試作部品の製造から量産段階へと移行しており、歯科分野では、3Dプリンティングによる金属製クラウンが歯科技工所における標準的な手法となっています。また、整形外科分野では、3Dプリンティングによる金属インプラントの本格的な量産導入が進んでいます。さらに、金型や放熱器などの分野でも、従来の製造プロセスに代わる手段として活用が広がっており、自動車分野においても、未だ十分に掘り尽くされていない巨大な応用可能性が残されています。。

金属粉末材料

3、高温合金材料

高温合金は超合金とも呼ばれ、優れた耐酸化性・耐腐食性、卓越した引張特性・クリープ特性・疲労特性および長期にわたる組織安定性を備えています。これらは、各種の高温使用条件に適応する現代の航空宇宙技術の要求を満たすために開発されたもので、先進的な航空宇宙エンジン分野において強力な存在感を示しています。

粉末冶金高温合金は、粉末冶金法を用いて製造される高温合金であり、従来の鋳造・鍛造による高温合金に比べて、組織が均一でマクロな偏析がなく、さらに降伏強度が高く疲労特性に優れるといった利点を有し、従来の製造プロセスで生じる偏析を克服している。（不均一性が低く）、使用される予合金化粉末の各粒子はまさに“微細な鋼インゴット”であり、合金の偏析は粉末粒子の微小なスケール内に限って生じるため、合金の総合的な性能を向上させるとともに切削加工量を削減し、合金の利用率を高めることができます。特に、高温合金の組成がますます複雑化し、部品のサイズが次第に大型化するに伴い、粉末冶金法による高温合金はより大きな優位性を示すようになっています。。

四、 3Dプリンティング 産業の発展動向

1、産業の資金調達ニーズは切迫しており、その規模は超えるだろう。 70億元　統計によると、2021年には世界の additive manufacturing（積層造形）分野における資金調達総額が650億元に達し、その成長率は66％に上った。中国のadditive manufacturing企業における資金調達総額は約48億元に達し、2020年比で33.3％増加した。しかし、現時点での投資総額および投資成長率については、海外と比較してなお一定のギャップが残っている。2022年には、中国のadditive manufacturing業界における資金調達需要が70億元を超えると見込まれている。

2、中堅・ハイエンド設備向けの部品については、国産化による代替が実現する見込みである。近年、国内の積層造形部品メーカーにおける研究開発投資が着実に拡大しており、大族思特や武漢鋭科をはじめとする国産部品は、歯科用レーザー選択的溶融造形や光硬化造形などの設備で既に安定的に使用されている。需要の増加に伴い部品の国産化プロセスが加速しており、中堅・ハイエンド設備向けの部品については、今後、国産化による代替が実現する可能性が高い。

3、産業用設備は、技術の進歩とプロセスの革新、ならびに用途要件の持続的な向上と適用シーンの拡大に伴い、大型化・高効率化・専用化の傾向を示しつつあります。加えて、医療、建築、文化財保護といった各分野における異なるニーズに応えるため、国内企業はすでに歯科用レーザー選択的溶融装置、文化財複製専用立体光硬化装置、建築用ロボットアーム式材料押出装置を市場に投入しています。

4、サービス市場の規模は持続的に拡大しており、鋳造などの分野で爆発的な成長が見込まれています。 Wohlers Reportの報告データによると、国際的な積層造形サービス企業の占める割合は年々増加しており、2021年の積層造形サービス市場規模は約62.5億米ドルで、全体市場規模の41％を占めています。これは、サービスが業界の発展にとって重要な推進力となっていることを示しています。一方、国内の積層造形サービス提供企業は依然として少なく、調査対象企業の統計によれば約21％にとどまっています。国内の既存のサービス提供企業、たとえば鑫精合や康硕グループなどでは、新たに建設された工場が相次いで稼働を開始しており、2022年には国内のサービス市場規模が大きく拡大すると見込まれています。中国鋳造協会の統計によれば、中国には2万6,000社の鋳造工場があり、砂型鋳造部品の市場規模は約1,200億元に上ります。積層造形技術を活用することで、鋳造工程を従来の15工程から8工程へと短縮することが可能です。いわゆる「二酸化炭素排出量の削減」と「エネルギー消費の削減」の両目標達成という背景のもと、積層造形技術は鋳造業界に対して持続的に付加価値をもたらしており、今後5年間で砂型積層造形設備の需要は2,000台を超えると予測されています。

2018年から2021年までの中国の積層造形産業の売上高推移

五、結論と展望

1990年代に登場して以来、3Dプリンティング技術は当初の高分子材料の造形から次第に金属粉末の造形へと焦点を移し、多数の新技術・新装置・新素材が開発・実用化されてきました。現在、情報技術のイノベーションが着実に進展するなか、産業生産はスマート化・デジタル化の新たな段階へと踏み込んでおり、3Dプリンティング技術はまさに産業のスマート化推進における強力な原動力となっています。近年、高温合金粉末を用いた3Dプリンティング技術において一定の成果が得られており、航空宇宙、バイオ医療、自動車といった分野で広範な応用が見られています。さらに、3Dプリンティング産業は急速に発展しており、国内の産業売上高は265億元に達し、過去4年間の年平均成長率は30％に上っています。また、規模以上の企業数は100社を超えています。

現在、我が国の高温合金粉末 3Dプリンティング技術は、依然として多くの課題に直面している。一方では、粉末の流動性や粒度分布、熱源との相互作用、形成される積層構造の微細組織、欠陥の低減および冶金的特性のより正確な定量化が挙げられる。他方では、プロセスパラメータの最適化、リアルタイムモニタリング、評価基準の確立、ハイスループット試験、ならびに大規模部品の製造が課題となっている。3Dプリンティングに用いる高温合金粉末の設計には、製造可能性、機械的均一性、安定性、そしてコストのバランスを考慮する必要がある。材料に関するボトルネックは必然的に3Dプリンティング技術の普及に影響を及ぼし、同時に同技術は材料に対してより高い要求を提示している。3Dプリンティング用高温合金粉末材料の今後の発展方向は主に三つある。第一に、既存材料を基盤としつつ、材料特性と組織構造との関連性を強化し、プロセスパラメータをさらに最適化して印刷速度を向上させ、気孔率および酸素含有量を低減し、印刷部品の表面品質を改善すること。第二に、3Dプリンティングに適合する新規材料の研究開発を行い、優れた耐腐食性、耐高温性および総合的な機械的性能を備えた新しい高温合金粉末材料を開発すること。第三に、3Dプリンティング用粉体材料の技術標準体系を改訂・整備し、高温合金材料のプリンティング技術に関する標準を制度化・日常化することである。

六 、3D 従来の製造に比べた印刷における留意点

南京箭穿石工貿有限公司は、機械加工・製造を手がける専門の切削工具・治具のサービスプロバイダーであり、優れた技術サービスチームと強力なサプライチェーン・サービス体制を備えています。対して 3D 印刷製品の後工程加工および伝統的な精密加工において豊富な加工経験を有し、μm級の加工分野では高い評価と充実した技術サービス体制を備えています。3 D 従来の製造方法に比べた3Dプリンティングの弱点およびその後の加工に関する留意点を以下にまとめます：

1）プロジェクトの比較