これまでの工法では加工が難しかった材料や複雑な形状でも、造形を可能にしてくれる──。便利な金属3Dプリンターが開発され、さまざまな現場でその活用が広がっています。この記事では、そんな注目を集める金属3Dプリンターの特徴や造形方式、導入のメリット及びデメリットについてご説明します。
金属3Dプリンターとは？代表的な造形方式は？
金属3Dプリンターとは、パソコンなどで作成したデジタルデータをもとにしながら、設計した形に金属を造形していく装置のことをいいます。工具を用いて削ったり穴を開けたりする切削（せっさく）などの金属加工や、プレス加工などでは実現が難しい複雑な形状の造形物や金型も、金属3Dプリンターを使うことで製作が可能です。
しかし、一口に「金属3Dプリンター」といっても、いくつかの造形方式があり、その構造や仕組みがそれぞれ異なります。主なものを説明していきましょう。
パウダーベッド（PBF）方式
「パウダーベッド方式」は、金属3Ｄプリンターの中でも主流の方式です。素材となる金属粉末を敷き詰めた粉末床（パウダーベッド）に熱源となるレーザービームや電子ビームを照射し、一層ごとに溶かし（溶融）、固める（凝固）ことを繰り返して造形していきます。層ごとに金属粉末を敷き詰めて溶かし固める工程を繰り返すため時間がかかりますが、他の方式と比較すると造形物の精度及び密度、強度が高くなります。
メタルデポジション方式（指向性エネルギー堆積方式）
「メタルデポジション方式（指向性エネルギー堆積方式）」は、素材となる金属粉末の噴射とレーザービームまたは電子ビームの照射を同時に行う造形方式です。造形部分に溶かした金属材料を積層させ、凝固させていきます。粉末を敷き詰めるパウダーベッド方式に比べて、短い時間で造形できるのが特長です。欠損した金属部品の部分補修といった目的で使えるのもメリットです。ただし、メタルデポジション方式では、金属粉末を噴出しながら蓄層するため、複雑な形状の造形には不向きです。
熱溶解積層（FDM）方式
これまで樹脂用の3Dプリンターとして用いられてきた「熱溶解積層（FDM）方式」も、金属3Dプリンターの造形方式の一つです。熱可塑性樹脂に金属粉末が配合されたフィラメントを熱で溶かしながら素材を押し出して積層し、造形していきます。金属粉末を結合するための熱可塑性樹脂を取り除く「脱脂」という作業をしてから、焼結炉に入れて「焼結」することで金属パーツとなります。脱脂・焼結の際には樹脂分が抜けて造形時よりも収縮するので、その収縮率を考慮して、造形する必要があります。
バインダージェット方式
「バインダージェット方式」は素材となる金属粉末を敷き詰めたところに、液体の結合材（バインダー）を噴射して固形化する方法です。熱溶解積層方式と同様に、造形後は使用したバインダーを除去するために脱脂・焼結が必要です。造形スピードが速い一方で、造形物の密度が低いという欠点があります。
こうした多様な方式によって、金属3Dプリンターで対応できる材料の種類や造形サイズが、ここ数年で拡大しています。数年前には考えられなかったような高精細な造形も可能となっているのです。
金属3Dプリンターの実用例
金属3Dプリンターでは、自由に造形できるだけではなく、部品の一体化や軽量化も可能となります。そのため、各業界でそれぞれのニーズに合わせて導入されています。
代表的な使用例は金属パーツです。自動車に用いられる高性能な金属部品や、ロケットエンジンの部品やジェットエンジンの燃料噴射ノズルなど、自動車業界や航空宇宙分野ではもはや欠かせない技術といってもよいでしょう。
また、医療の現場では、人工膝（しつ）関節や人工股関節など、さまざまな部位のインプラントにも、金属3Dプリンターが活用されています。製造業だけではなく、医学分野においても、金属3Dプリンターの導入が今後進んでいくと考えられます。
金属3Dプリンターのメリット・デメリット
金属3Dプリンターのメリットとデメリットについて解説していきましょう。
金属3Dプリンターのメリット
金属3Dプリンターの最大のメリットは、従来の工法では作れなかった複雑な形状にも対応できることです。
ほかにも、金属3Dプリンターでは、自由形状で積層造形をしていくため、部品を用いずとも接合ができるのも魅力の一つです。部品数の削減によって作業効率もアップするうえに、製造工程でのムダな材料も削減されます。小型製品であれば、形状の異なる多品種の造形物を同時に出力できるため、コスト削減にもつながります。
さらに短納期で製造できる、必要な部分だけで造形物が作れるという利点もあります。
金属3Dプリンターの注意点
便利な金属3Dプリンターですが、デメリットはあるのでしょうか。見ていきましょう。
金属3Dプリンターは造形方式に合わせたデザインや設定を行うための知識が必要です。「導入したけれども、失敗の連続だ……」ということにならないように、事前の準備が大切です。
また、金属3Dプリンターでは、装置の中にあるテーブルで造形を行います。そのため大きな造形物の場合、大量生産はできず、一つずつ造形することとなります。金属3Dプリンターは、多品種少量や一品一様の製品の造形に主に用いられているということも、頭に入れておきましょう。
そのほか、造形費と材料費が比較的高価であることにも注意が必要です。また、最近では家庭用としても手が届く範囲の価格帯の製品も増えてきていますが、家庭用（一般コンシューマー向け3Dプリンター）のローエンドモデルから、業務用のハイエンドモデルのものまで幅広くあります金属3Dプリンター自体の価格も高いため、コスト面でメリットが出るまでには、時間を要します。詳しくは「業務用3Dプリンターの値段は高い？選ぶポイントや導入にかかる費用を紹介」をご覧ください。
3Dプリンターの購入に限らず、レンタルや出力サービスを利用することも視野に入れて検討するようにしましょう。データ作成の基本については「3Dプリンターの仕組みについて、データ作成から完成まで解説」、「3Dプリンター用の設計データと切削加工の設計データ作りはどう違う？」「3Dプリンター用のソフトやサービスにはどんなものがある？」、外注依頼する際のコツは「3Dプリンターでの造形を依頼するには？外注するメリットや依頼方法」をご覧ください。
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金属3Dプリンターについては、何となく耳にしたことはあっても、実際にどんなものかが意外と知らないという方が多いと思います。この記事では、金属3Dプリンターが実際に活用されている分野や、代表的な造形方式、また導入にあたってのメリットやデメリットについて解説しました。
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写真／Getty Images
