金属3Dプリンターとは？仕組みと造形方式、おすすめの機種を解説

金属3Dプリンターは、レーザーや電子ビームを使用して金属の粉末やワイヤーを溶かし、層を積み重ねてオブジェクトを形作る技術です。主に産業分野で利用されてきましたが、家庭環境でも利用可能な製品も登場しています。

今回は、金属3Dプリンターの基本的な仕組みや、おすすめの機種などについてご紹介します。

金属3Dプリンターとは

金属3Dプリンターは、金属材料を用いて3Dデータに基づいて物体を造形する装置です。
この技術は、従来の製造方法では困難であった、非常に複雑な形状や内部構造を持つ部品や製品を効率的に製造できると注目されています。
設計の柔軟性が向上し、新たな製品開発の可能性が広がります。

個別のカスタマイズや修復が必要な部品や製品の生産にも適しており、産業分野や医療分野を含む多くの分野で幅広く活用されているのが特徴です。
さらに、材料の無駄を最小限に抑える持続可能な製造方法としても評価されています。

金属3Dプリンターの仕組みと造形方式

金属3Dプリンターの金属材料は、金属粉末や金属線などが用いられます。ステンレス鋼、アルミニウム、チタン、インコネルなど、多種多様な選択肢があります。
これにより、製品の要求仕様や用途に応じて最適な材料を選択できるのが特徴です。

また、金属3Dプリンターには、さまざまな造形方式があります。代表的な造形方式は、以下の4つです。

パウダーベッド方式
メタルデポジション方式
熱溶解積層方式
バインダージェット方式

1.パウダーベッド方式

パウダーベッド方式は、金属3Dプリンターの主要な方法であり、広く利用されています。
この方式では、金属粉末を均等に敷き詰め、それを熱源とするレーザーや電子ビームを使用して、部品を溶解・凝固させながら造形していきます。金属粉末を層ごとに繰り返し使用して、立体物を形成するのが特徴です。
造形が終了したら、未固化の粉末を取り除き、完成した造形物を取り出す必要があります。

パウダーベッド方式には、レーザー方式と電子ビーム方式の2つのバリエーションがあります。どちらの方式も高精度な成形と複雑な内部構造の制御が可能で、産業分野や医療分野などで利用される場合が多いです。

2.メタルデポジション方式

メタルデポジション方式は、金属3Dプリンターにおける一般的な造形方法の一つで、指向性エネルギー堆積法とも呼ばれています。
この方式では、金属粉末を噴射し、同時にレーザービームを照射して、溶けた金属を層ごとに積み重ねて凝固させます。

パウダーベッド方式に比べて造形速度が向上し、金属粉末の除去作業が不要です。さらに、レーザークラッディングとして知られる修復加工もおこなえ、摩耗した部分の補修に役立ちます。
ただし、メタルデポジション方式には造形形状への制約や、造形精度がパウダーベッド方式に比べて劣るという制約が存在します。

3.熱溶解積層方式

熱溶解積層方式は、金属粉末と熱可塑性樹脂を混ぜたフィラメントを熱で溶かして押し出し、一層ずつ積み重ねて造形する方法です。樹脂を用いる3Dプリンターと同じ原理で、金属粉末の割合が高いほど金属に近い性質の造形物が得られます。

造形後には、樹脂を取り除く工程が必要です。材料ロスが少ない、造形物が収縮することを考慮して自動で補正される、金属粉末の扱いが容易、などの特徴があります。
また、金属粉末の種類を変えることで、さまざまな金属材料に対応可能です。医療分野や歯科分野などで利用されています。

4.バインダージェット方式

バインダージェット方式は、金属粉末を敷き詰めた粉末床に液体の結合材を噴射して固める方法です。
バインダージェット方式の主要な特徴の一つは、結合材を使用して金属粉末を固める点です。結合材は液体で、金属粉末が接着して形成します。
造形スピードが速いため、迅速なプロトタイプ作成や部品製造が可能です。
また、造形物の密度が比較的低く、内部に複雑な構造や空洞を持つ部品を作成するのに適しています。
金属以外の材料との混合も容易で、複合材料を製造する際に有用です。

金属3Dプリンターのメリット・デメリット

では、金属3Dプリンターのメリット・デメリットはどのようなものがあるのでしょうか。

金属3Dプリンターのメリット

金属3Dプリンターのメリットは、金属加工の可能性を広げることです。
3Dデータに基づいて金属材料を積層して造形するため、従来の金属加工では難しい複雑な形状や高機能な部品を作ることができます。

例えば、内部に空洞や通路を持つ部品や、金属とセラミックなどの異種材料を混合した部品などが造形できます。
また、金属3Dプリンターは、試作や小ロット生産においてコストや納期を短縮することが可能です。金属材料を必要な部分だけに溶かして固めるため、材料ロスが少なく、環境に優しいと評価されています。

金属3Dプリンターのデメリット

金属3Dプリンターのデメリットは、造形品の品質や安定性に問題があることです。金属材料を高温で溶かして固めるため、造形品に収縮や膨張などが発生することがあります。
これにより、造形品の精度や強度が低くなったり、ひび割れや歪みが生じたりすることがあるのです。
また、造形品の表面が粗くなることもあります。

これらの問題を解決するためには、造形後に追加の加工や処理が必要になることがあります。
造形できる金属材料に制限があることや、造形設備のコストが高いこともデメリットです。

金属3Dプリンターは家庭で使える？

小型の金属3Dプリンターであれば、一般的な家庭環境でも使える可能性があります。これらの小型プリンターは、コンパクトで安全性を重視したデザインが特徴で、一般のユーザーが使いやすいように設計されています。

小型の金属3Dプリンターは、カスタムデザインのジュエリーや装飾品の制作、趣味のプロジェクトに使えるのが魅力です。
ただし、安全性と適切な使用法を守ることが重要です。
粉末やフィラメントなどの材料を加熱して溶融するため、高温になることが多く、火災や爆発の危険性があります。金属3Dプリンターを使う場合は、細心の注意を払いましょう。