積層造形(AM)は1980年代にまでさかのぼります。当時、最初のコンピューターグラフィックスソフトウェアが市場に登場し、3Dモデルをコンピューター上で作成することが可能になりました。 科学者と発明家がこれらのモデルを現実化する方法を見つけ、3Dプリントが生まれました。 このソリューションはほぼ40年間同じままです。 溶融材を使って層を積み重ねながらオブジェクトを構築していきます。

長年の間、3Dプリントは主に、ポリマー製の試作品を作成する迅速な製造方法とされてきました。 ただし、過去20年以上にわたって、複数の金属ベースの積層造形プロセスが開発され、部品の大量生産に幅広く利用されるようになりました。

積層造形は、比類のない自由な設計、設計から完成品までの短いリードタイム、材料の無駄を最小限に抑えられるなど、多くの独自の利点があります。 数年前には不可能だった部品が、さまざまな金属粉末を使用して高水準に製造できるようになりました。

品質への要求の高まり

ところが、すぐに使える金属部品に移行することで、積層造形産業で新たな課題が生じました」と米国ペンシルバニア州立大学のエンジニアリング科学、機械学、材料科学、およびエンジニアリングの教授、Todd Palmer氏は言います。

“試作品製造から部品製造への移行によって、品質への要求と部品製造の要件が桁違いに増大しています」とPalmer氏は言います。 「何かを同じように繰り返し行うことは難しいことです。 AMプロセスと積層造形手法の複雑さのため、処理のための期間が、より従来型の鍛造プロセスで使われる期間よりもはるかに短くなります。 期間の短縮と加熱サイクル運転の迅速化により、特に生産量が増え続けるに伴って品質に重大な問題が生じます。

従来と同じ部品の品質を得るには、積層造形の方法に関係なく、除去加工工程、後熱処理が必要です。

「熱処理の必要性は主に材料に関わることで、金属AMで使われる合金には、何らかのタイプの後熱処理が必要なのです」とPalmer氏は言います。 「合金を使用しないと、材料は目的の微細構造と特性にどうしても達しません」

熱処理で実現する再現性

「品質の点から言うと、熱処理の役割はプロセスの再現性、データのばらつきの低減に結び付けることができます」とPalmer氏は言います。 「狭い特性範囲は設計者にとって魅力的です。その確実性レベルが向上し、材料特性に必要な安全率をより確実に低減できるからです」

AMを使用してより大きいサイズの部品をもっと大量に製造する場合、高品質な部品を再現できることが必要不可欠です」と彼は言います。 「AMは当初、試作品製造ツール、およびカスタマイズされた少量の部品製造用として開発されました。 大量生産は始まってからまだそれほど経っていません。 高品質レベルを維持することは課題となるでしょう」

構築中に生じる瑕疵を検出するため、プロセスの検知とモニタリング、そしてツールの開発に膨大な量の作業が当てられていると、Palmer氏は語ります。 ただし、AMがより幅広く利用されるようになるには、材料の研究にもっと注目する必要があると彼は言います。

「材料は、今よりももっと注目されるべきです。 今日、私たちは鋳造プロセス用と同じ合金をAMで使用しています。Today we are using the same alloys for AM as for wrought processes 問題は、これらの合金をレーザーで溶かし、同じように機能することを求めることです。 しかしそうなりません。 積層プロセスでは、材料とコンポーネントを同時に製造します。 そのため、従来型の鋳造システムよりも、設計、加工、構造、結果として生じる材料特性の間により強い共生関係が生じます」

Palmer氏によると、今後とるべき道は総合設計手法を確立することです。設計者はこの手法を通じて、材料と加工特性の両方を、最適な部品設計をするために調整できる変数として捉えることができます。