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いまさら聞けない、製造業の3Dプリント―3Dプリンタの基礎知識と現状―3DPC【3D Printing特区】

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2019年9月26日に開催したイベント「3D Printing特区」(主催:㈱3D Printing Corporation)では、「いまさら聞けない、製造業の3Dプリント」がテーマでした。

弊社3Dアドバイザー 大杉には、3Dプリンタの基礎知識と業界の現状について説明いたしました。

詳細: https://www.3dpc.co.jp/blog/tokku-20190926-report

Published in: Technology
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いまさら聞けない、製造業の3Dプリント―3Dプリンタの基礎知識と現状―3DPC【3D Printing特区】

  1. 1. 3Dプリンタ 基礎知識と業界の現状 今さら聞けない3Dプリンタのあれこれ、 金属プリンタの基礎知識及び 3Dプリンタの導入・実用例
  2. 2. 3Dプリンタとは?  3Dプリンタとは、従来の切削製造・抜き製造と並び、第4の製造革命の鍵と言われている、い わゆる積層造形(AM・Additive Manufacturing/足し造形とも言う)と呼ばれる造形方式を用 いた立体造形装置。  3Dプリンタには大きく4種類の造形方法がある。 ・FDM (Fused Deposition Modeling)/FFF (Fused Filament Fabrication) 熱溶溶解式積層造形 ・SLA (Stereolithography) /DLP (Digital Light Projector) 光造形 ・SLS (Selective Laser Sintering) 粉末焼結積層造形 ・SLM (Selective Laser Melting)/DMLS (Direct Laser Metal Sintering)/ LPBF (Laser Powder Bed Fusion)など 金属造形  3Dプリンタは大きく意匠確認、試作、型、治具、最終製品、そして最近では技術の向上により 小ロット製造にも向いていると考えられている。
  3. 3. 3Dプリンタの普及  2009年:米Stratasys社が保有していたFDM方式の特許が切れRepRap・3D Systems・Makerbotなど、 大小多くのメーカーが”コンシューマー向け3Dプリンタ”市場に参入、2013年までに述べ2,000社以 上の3Dプリンタメーカーが現る。2014年には、粉末焼結造形法(SLS)の基礎的な特許権が失効。 材料の選択肢が広がり、造形の精度が格段に向上する。  2012年:米TIMES誌で「世界で最も影響力のある100人」にも選ばれたクリス・アンダーソン著 「MAKERS ~21世紀の産業改革が始まる」と言う一冊の本で一般人でも3Dプリンタについて大きな 関心を持つようになる。  2013年:オバマ大統領が議会演説で豪語した「The 3D Printing has the potential to revolutionize the way we make almost everything.」(3Dプリンタは我々の知るモノづくりを大きく改革する可能 性を秘めている)が、後押しし、コンシューマー向け3Dプリンタ元年と言われる年となる。  この後、アメリア国防省が3,000万ドルを投入しNAMII(全米積層造形イノベーション機構)を創立、 同時に3DCADの普及、3Dプリンタの低価格化、積層造形技術の向上と共にメディアへの爆発的な露 出も加わり、「3Dプリンタ」は産業界のみにとどまらず、一般にまで広く知られる様になる。
  4. 4. 3Dプリンタの歴史
  5. 5. FDM/FFF 3Dプリンタ メリット: ・本体も材料も安価なものが多い ・ABS・PLAなど、比較的安全な材料を 使うため、複雑な環境整備や 廃材管理が不要 ・他の3D造形方式に比べ、操作が 簡単で、ユーザースキル次第では 高額プリンタ同等の造形が可能 デメリット: ・安定造形のためには、ある程度の ユーザースキルと材料に関する 知識が必要 ・高精度・低誤差の造形は期待 できない(基本的に±0.1㎜が限界、 0.2㎜造形が安定・安全) ・遅い!  熱で溶かした樹脂をノズルから押し出し、積み上げてモデルを造形。  高い耐久性や耐熱性を得やすいので、試作品や治具、 簡易型の造形な どに最適。  素材を溶かして積み上げていくため、断層が⽬立ちやすいとうデメ リットがあり、表⾯の滑 らかさが求める場合は後処理が必要。  主な素材:ABS、PLA、PETG、ASA、NYLON、TPU、PEEK、ULTEM等
  6. 6. SLA/DLP 3Dプリンタ メリット: ・複雑な構造を高精度(最小0.001㎜) で造形可能で、仕上がりがなめらか ・FDM方式に比べ造形音がほとんど ない デメリット: ・基本的に本体も材料も高額で、 小ロット製造などには向かない ・主材料が紫外線に弱いので 黄色く変化してしまったり 耐熱性や対衝撃性にも弱い ・使える材料の種類が非常に少なく、 エポキシ系樹脂やロストワックスに 限られる ・造形前・後の処理が多く、自分で 修理できず、高メンテナンス  レーザーもしくはLED光源を使って、レジン材を硬化してモデルを造形。  非常に美麗な造形品を作れるので、観賞用や精度を求められる造形に 向いている。  光造形品は比較的に脆いので、長期的な保管や実用には向かない。  主な素材:熱可塑性樹脂ライクな光硬化性樹脂 、セラミック、ロスト ワックス等
  7. 7. SLS 3Dプリンタ メリット: ・サポート材なしで、高精細、高耐久 かつ複雑なモデルの造形が可能 ・ワークサイズが大きく材料強度も 高いため、実用想定の機能検証にも 利用可能(※ナイロン粉末の場合) ・使える材料の幅が非常に多く、 多くの用途に合わせて使える デメリット: ・基本的に本体も材料も高額で、 材料の無駄も多く、小ロット製造 などには向かない ・本体のサイズや設置条件・付属装置 も多く、気軽に使えない ・表⾯がざらついた感じの造形となる ・造形前・後の処理が多く、自分で 修理できず、高メンテナンス  粉末焼結方式は光造形法と似た方式で、ステージ上にある粉末をレー ザー光線を照射させて焼結させる造形方式。  複雑で高耐久性の造形が出来るので、試作からデザインの確認と、SLA /DLP方式より多くの場⾯で活躍する。  比較的に高額投資の高ランニングコスト造形なので、⽬的が明確じゃ ない限り導入は難しい。  主な素材:NYLON、PP等
  8. 8. 金属造形 3Dプリンタ① メリット: ・様々な造形方式が存在し、低コスト なものから高精度のものまで、 幅広い応用が可能 ・最終製品として使えるパーツが造形 できるため、実用性・汎用性と サプライチェーンの削減など、 様々な効果が期待できる ・使える金属材料の幅が非常に多い デメリット: ・多くの場合、本体も材料もかなり 高額で、導入から稼働までの時間も 長く、多くの場合追加処理や加工 時間もかかるため、少量のサンプル 造形などには向かない ・本体のサイズや設置条件・付属装置 も多く、気軽に使えない ・造形前・後の処理が多く、自分で 修理できず、高メンテナンス  一番製品製造に近いと言われる3Dプリンタで、今後の低コスト化・製 造時間短縮などが期待されている。  アルミ・チタンなど、汎用性の高い素材を扱えるので、従来数千・数 万を必要とする部品調達の少量生産が可能になる。  数ある3D造形方式の中でも、突出して高額なプリンタで、ランニング コストも高く比較的に技術も条件も複雑なので、気軽に扱えない。  主な素材:ALUMINIUM、COPPER、TITANIUM等 メタル3Dプリンタ方式の種類
  9. 9. 金属造形 3Dプリンタ②  レーザビーム熱源方式: 敷き詰められた金属粉材料にレーザビームを 照射し、溶融・凝固または焼結させる積層造形方法。金属3Dプリンター のなかで最も普及している方式でもある。  電子ビーム熱源方式: 敷き詰められた金属粉材料に電子ビームを高真 空中で照射し衝突させることで、運動エネルギーを熱に変換し粉末を溶 融させる造形方式。レーザビーム方式は窒素などの不活性雰囲気中で溶 融凝固されるが、電子ビーム方式は真空中で溶融凝固がなされる。 また、レーザビーム方式はレーザを照射する際の位置決めをミラーの 角度を変えて行うのに対し、電子ビーム方式は、磁界によるレンズを用 いて電子ビームの向きを変えるため、機械的な移動はなく、電気的であ ることから高速な位置決めが可能である。 パウダーベッド方式金属造形 金属粉末を敷き詰め、熱源と なるレーザや電子ビームで造形 する部分を溶融・凝固させる造 形方法。金属粉末を敷き詰め、 溶融・凝固を繰り返すことで造 形する。 造形終了後には、固化してい ない粉末を取り除いて造形物を 取り出す必要がある。 パウダーベッド方式には、大 きくレーザビーム熱源方式と 電子ビーム熱源方式がある。
  10. 10. 金属造形 3Dプリンタ③ メタルでポジション方式金属造形 溶融した金属材料を所定の場所に 積層・凝固させて造形する造形方法。 金属粉末を材料とするレーザビー ム熱源方式と、合金ワイヤーを材料 とするアーク放電方式がある。 パウダーベッド方式に比べ、高速 造形が可能だが、形状精度は低いの が難点。 また、パウダーベッド方式と異な り、造形終了後にパウダーの除去作 業は不要である。金型などの金属材 料へ追加工(肉盛り)も可能。  レーザビーム熱源方式: ノズルから金属パウダーを噴射すると同時 にレーザ光を照射することで金属パウダーを溶融池に供給、凝固させ て造形を行う。部品形状を溶融ノズルまたはステージを移動させ描く。 金属粉の供給経路を切り替えることで、異種金属の造形が可能。また、 レーザ出力が大きいため、高速造形が可能。  アーク放電方式: 金属ワイヤー先端のアーク放電により金属ワイ ヤーを溶融し、これを積層することによって造形する。装置価格や材 料費が比較的安く、高速造形可能。
  11. 11. 金属造形 3Dプリンタ④ その他の金属造形方式 金属造形方式として、他にFDM、 DMLS (Direct Metal Laser Sintering)・SLM (Selective Laser Melting)・EBM (Electron Beam Melting)・LENS (Laser Engineered Net Shaping)など、様々な方式が存 在します。 金属造形分野は非常に成長が期待 されている造形方式のため、現在も 複数の大手・ベンチャー企業らが独 自の高性能・高精度プリンタを研究 開発しています。
  12. 12. 金属造形 3Dプリンタ⑤ 主に使用される7種の 金属材料の特長と用途 金属3Dプリンタに使用される金 属材料をの一部。プリンタメーカに よってはこの表より、さらに多くの 材料に対応する機種もあり、粉末タ イプやフィラメントタイプ等、材料 形状も様々だ。 全プリンタが全ての素材を扱える わけではなく、用途・コスト・必要 な材料などを良く考えて機種選びを する必要がある。
  13. 13. 金属造形3Dプリンタ⑥ 金属3Dプリンタの活用領域 3D金属プリンタは従来の加工では不可能で あった形状も造形できることから、機械設計 の自由度が高く、性能向上や軽量化が特に強 く求められる航空機部品製作に利用され、大 きな成果を上げている。 また、金型製作への適用も期待されており、 3Dプリンターと加工機を組み合わせた複合加 工機が開発されている。 航空機部品:エンジンカバー用ヒンジ、エン ジンの燃料ノズル、エンジンのタービンのブ レード等 金型:深リブ加工を用いる金型、冷却水管、 複雑構造な部品等 その他:宇宙開発、半導体、ホビー等 金属3Dプリンタの課題
  14. 14. 柔軟素材について① 金属3Dプリンタの課題
  15. 15. 3Dプリンタ 実用例① DFAMとは DFAM(Design For Additive Manufacturing)とは、3Dプリン テ ィングを最大限に活用するため の新しい設計手法。3Dプリンタの 性能を最大限・正しく活かせる設計 をお手伝いするサービス。 検診(コンサルティング)から始 め、装置の必要性の・選定・販売・ 運用・サポート、データの作成・修 正・補正・最適化、作業効率化のた めの提案・構築等、3Dプリンティ ングに関することであれば専門家が 一部、または考案から完成までお手 伝いするサービス。
  16. 16. 3Dプリンタ 実用例② SE3Dとは 装置や製品の組み立てに必要な部 品などを、最小限の製造装置とコス トで最大限サプライチェーンを減ら しつつ製造する手法。 SE3Dの⽬的は ①サプライ チェーンのローカライズ ②コスト 削減 ③需要発生から造形までの最 短納期の実現。 試作から小ロット製造まで、複数 種類の部品も少しの調整で製造可能 にするための仕組みである。
  17. 17. 3Dプリンタ 実用例③
  18. 18. 3Dプリンタ 実用例④
  19. 19. ご清聴、ありがとうございました。 ご質問等ございましたら、 どうぞお手を上げてください。

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