技術解説＞金属積層造形技術

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技術解説
Technical Review

金属積層造形技術
大﨑元嗣＊

Metal Additive Manufacturing
Mototsugu OSAKISynopsis
Recently, 3D printing technology (Additive Manufacturing, AM) has grown rapidly. AM technology was previously applied
to reduce the manufacturing lead time of prototypes, but in recent years, application to practical parts is being considered invarious fields such as aircraft, medical, energy, automobiles and molds. In Metal Additive Manufacturing (Metal AM) technology,
there are powder-type processes, such as Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM), Laser Metal DepositionPowder (LMD-P) and Binder Jet (BJ), and wire-type processes such as Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM), Laser Metal
Deposition-Wire (LMD-W) and Wire Electron Beam Additive Manufacturing (WEBAM). When applying Metal AM technology, it
is necessary to understand the characteristics of each process and select the optimal process for the product.

1．はじめに評価を行うことで開発リードタイムを短縮するという目

近年，3D プリンティング技術が急速に成長しつつバマ大統領が一般教書演説の中で，3D プリンタに言及

あ る．3D プ リ ン テ ィ ン グ 技 術 は， 海 外 で は Additive

したことで，実用部品への適用を検討する動きが活発化的での適用が主流であったが，2013 年に当時の米国オManufacturing（AM），国内では積層造形という呼称でした．近年では，先進国をはじめさまざまな国や地域，も用いられる．積層造形技術による製造方法は，これま航空機・医療・エネルギー・自動車・金型といったさまでの塑性加工および切削加工のような「引き算」の製造ざまな分野で積層造形技術の適用開発が進んでいる．

方法に対し，3D-CAD 図面に従って，部品のすべてもし積層造形技術には，樹脂積層造形と金属積層造形があ

くはバルク材のある特定の部位にニアネットで形状を付る．樹脂積層造形は，企業の生産活動に用いられる産業加する「足し算」の製造方法であることが最大の特徴用装置から，一般家庭でも使用できる汎用的かつ安価なである．積層造形技術は先述した 3D-CAD による図面装置までさまざまなラインナップが存在する．一方で金作成，強度シミュレーションによる形状最適化（トポ属積層造形は，金属粉末が粒径によっては危険物に分類ロジー最適化），装置による造形物作製など，デジタルされること，熱源の取り扱い，後工程で熱処理や切削加ツールを活用したものづくり要素が強く，デジタルマ工などが必要であることから，産業用装置が主となる．

ニュファクチャリングの 1 つとも言える．積層造形技術

本稿では，積層造形技術の中でも，金属材料を用いたは，1980 年代にそのコンセプトが発表され ，当初は金属積層造形技術（Metal Additive Manufacturing）に関試作段階において，形状の異なる部品を短期間で作製しして，代表的な製造プロセスの解説を行う．

1）

2021年 4月 28日 受付＊ 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）

電気製鋼 第 92 巻第 1 号 2021 年

20Material

Powder

Process

Wire

PBF

Heat source

BJ

DED

Laser beam

Electron beamLaser beamArc

Laser beam

Electron beam

SLM

EBM

LMD-P

WAAM

LMD-W

WEBAM

PowdersupplyPrint head

Laser beamElectron
Electron beam
bea mRollerHeaterBinderdroplet

DED・Arc・Electron beam・Laser beamLaser beam

CoaterWire

PowderPowdersupplyBJ

SLM / EBM

LMD-P

WAAM / LMD-W / WEBAM

Fig. 1. Technical overview of Metal Additive Manufacturing.
Table 1. Technical overview of Metal Additive Manufacturing2) ～ 7).
ProcessHeatsource

PBF
SLM

DED
EBM

Material

Laser
beam

PowderElectronbeam

Material size

10-60 μm45-100 μm

LMD-P
Laser
beam

PowderPowder

WAAM
Arc
Wire

LMD-W
Laser
beam
Wire

WEBAM
Electronbeam
Wire

45-200 μm φ0.8-1.6 mm φ0.6-1.6 mm φ1.0-4.0 mm

Process
Ar
VacuumAtmosphere Atmosphere Atmosphere
atmosphere/Vacuum
Process
1-5 kg/h
2.9 kg/h
10-170 cm3/h 45-100 cm3/h 1-1.8 kg/h
speed

2．金属積層造形技術
Fig. 1 に 金 属 積 層 造 形 の 代 表 的 な 製 造 プ ロ セ ス，

BJ
Powder<15 μmVacuumAtmosphere1-10 kg/h

7.7 kg/h

ど多岐に渡る．熱源を使用しない造形方法として，バインダーをインクジェット方式で塗布し，造形するバインダージェット方式がある．

Table 1 に各プロセスの概略仕様を示す．金属積層造形
は金属粉末やワイヤを用いるプロセスが存在し，それに加えて材料の供給方法および熱源の種類により，製造プロセスが分類される．例えば，敷き詰めた金属粉末（粉末床，パウダーベッド）にエネルギーを照射し造形を行う粉末床溶融法（Powder Bed Fusion，PBF），エネルギーを照射し形成された溶融池に粉末やワイヤを供給し造形を行う指向性エネルギー堆積法（Direct EnergyDeposition，DED）がある．また，熱源には溶接技術に使用されているアーク，レーザ，電子ビームなどが用いられる．使用される材料も，ステンレス鋼，工具鋼，Ni基超合金，Co 基超合金，Ti 合金，Al 合金，Cu 合金な3．粉末を用いた積層造形技術
3.

1

選択的レーザ溶融法

現在，金属積層造形技術において主流の造形方式が選択的レーザ溶融法（Selective Laser Melting，SLM）である．本造形方式は，金属粉末をブレードやローラーを用いて数十 μm 程度の均一なパウダーベッドとし，3D-CAD 図面に従って，所定の位置にレーザを照射することで，敷き詰めた粉末を溶融・凝固させ成形していくプロセスであり，このプロセスを繰り返すことで造形

技術解説＞金属積層造形技術

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物を作製する．SLM 方式は作製部品の形状に合わせて，は電子ビームを用いるため，真空下で造形を行うプロセサポート（支柱）を別途設計することで，形状自由度がスとなり，雰囲気中のガス成分の吸着がなく，高品質な高く，かつ複雑形状の造形物作製が可能となる．これら造形物を作製するのに適している．また，電子ビームをの特徴を活かし，例えば金型分野において，造形物内に用いて粉末床を 700 ℃以上に予熱できるため，延性に乏複雑な経路の水冷孔を組み込むことで，冷却効率を改善

しい材料の造形が可能である．一方で，予熱プロセスはし金型寿命を向上 8），9） させる取り組みなどが検討され電子ビーム照射による金属粉末の帯電・反発・飛散を防ている．また，Fig. 2 に示すようなモノリス構造により冷ぐための予備加熱の目的もある 11）．Fig. 3 に代表的な装却効率を高めた熱交換器や，航空機ガスタービンエンジ

置の外観と適用部品の一例を示す．EBM 方式では，例ンの燃料ノズルを作製し，部品点数と耐久性向上，軽量えば，TiAl 合金のような難加工で割れやすい材料を本化による燃料効率の改善を達成した事例などもある 10）．

方式で作製し，鋳造方法などで製造されている低圧ター

一方で，1 層あたり数十 μm の積層ピッチとなるため，ビン翼への適用検討が進められている 12）．

造形効率は他のプロセスに比較し低く，技術的な課題になっているが，マルチレーザ化による同時照射によって造形時間短縮を図るなどの装置開発が進んでいる．材料面においては，造形物の品質確保のためパウダーベッドを均一にする必要があり，各種粉体特性，特に充填性や流動性（流れやすさ）といった SLM 方式独自の特性が要求される．
Gear hobFig. 3. Device appearance and application examples ofEBM.
*Courtesy of GE Additive3.

3

レーザ粉体肉盛法

DED 方式として，熱源にレーザを用いる粉末タイプ の 造 形 プ ロ セ ス が レ ー ザ 粉 体 肉 盛 法（Laser MetalDeposition-Powder，LMD-P） で あ る．LMD-P 方 式 は 従Monolith structure

来のレーザ肉盛（レーザクラッティング）と同じ技術であり，肉盛層を積み重ねることで造形物を作製する．本
方式は，協働ロボットにトーチを取り付け，熱源であるレーザ発振器と粉末供給のためのフィーダーを組み合せることでもシステムの構築が可能であるが，5 軸加工機と造形機を組み合せた複合タイプの装置が切削加工メー
カーからリリースされている 13），14）．複合タイプの造形

Heat exchanger

Fig. 2. Device appearance and application examples ofSLM.
*Courtesy of GE Additive

3.

2

電子ビーム積層造形法

機は，装置内で造形と切削加工の工程を繰り返すことにより，完成部品を装置 1 台で作製できる特徴を有する．

Fig. 4 に代表的な複合タイプの LMD-P 装置の外観と，製品事例を示す．LMD-P 方式は，SLM 方式や EBM 方式に比較し造形能率が高く，かつ製品の一部に造形物を作製できることから，耐摩耗性，耐熱性，耐食性のよう先述した SLM 方式と類似のプロセスだが，熱源にな各種特性を有する合金粉末を特定の部位に積層するこレーザではなく電子ビームを用いる方法が電子ビーム造とが可能である．一方で，PBF 方式と比較すると複雑形法（Electron Beam Melting，EBM）である．EBM 方式

形状の造形は難しく，造形部をニアネットで作製後，切電気製鋼 第 92 巻第 1 号 2021 年

22削加工で仕上げる必要がある．しかし，プログラム制いメリットがある．一方で，BJ 方式ではバインダーの御，CAM ソフトウェアの活用により，最小限の造形に除去，焼結処理により造形密度や寸法精度（熱処理時のよる効率的運用や曲面への造形が可能であり，金型の補収縮）に技術的な課題がある．BJ 方式の造形装置外観

修や形状の追加，摺動部への耐摩耗材料の部分施工など

写真を Fig. 5 に示す．の適用用途がある13）．

Fig. 5. Device appearance of BJ.
*Courtesy of GE Additive*Material
DAP-AM HTC TM

4．ワイヤを用いた積層造形技術
4.

1

ワイヤアーク積層造形法

これまでは金属粉末を用いた積層技術が主流であったが，近年ではワイヤ積層造形技術にも注目が集まっている．ワイヤ積層造形の特徴は，PBF 方式のような複雑形状・高精度の造形物作製には適していないもの
Slide coreFig. 4. Device appearance and application examples ofLMD-P.
*Courtesy of Okuma Corporation

3.

4

バインダージェット法

近年，注目されている造形方式の 1 つがバインダージェット（Binder Jet，BJ）方式である．BJ 方式はこれの，造形能率が高く，かつ協働ロボットと組み合せることで大型部材の作製が可能である．一般的な溶接で用いられるアークを熱源にして積層造形を行うプロセスがワ
イヤアーク積層造形法（Wire Arc Additive Manufacturing，WAAM）である．WAAM 方式は前述したとおり，アークを熱源に用いる積層造形プロセスであり，既存のガスシールドメタルアーク溶接（GMAW）用電源を用いることが可能である．熱源であるアークの温度は 10000 ℃以上であり，入熱のコントロールが課題であるものの，まで述べた方式と異なり，粉末の溶融・凝固現象がプロ

近年では溶接ワイヤの送給を機械的に制御することでセス中に含まれないのが特徴である．BJ 方式は SLM 方

低入熱での溶接を可能としたワイヤ送給制御方式の電式や EBM 方式と同様，粉末を敷き詰めるプロセスが入源が開発されており，WAAM 方式への適用が期待されるが，粉末に樹脂バインダーを選択的に塗布し，粉末同る．WAAM 方式の装置外観と製品事例を Fig. 6 に示す．

士を結合することで造形し，その後工程でバインダーのWAAM 方式の適用事例はまだ少ないものの，例えば船除去および焼結を行うための熱処理を行う．本方式は熱舶用のスクリュー 15）や橋梁 16），プラズマアークを用い源の照射プロセスがないため造形能率が高く，他の積層た WAAM 方式では，Ti 合金の造形物が航空機部品とし造形プロセスと比較して大量生産に適したプロセスであるため，大ロットの生産が必要な自動車業界への展開もて認証を取得する 17）など，適用実績が増えつつある．

期待されている．また，類似の技術である MIM（Metal4.

可能であり，SLM 方式や EBM 方式のようにプロセスにスがレーザワイヤ肉盛法（Laser Metal Deposition-Wire，Induction Molding）に使用される粉末を流用することが適合した粉体特性を有する金属粉末を準備する必要がな

2

レーザワイヤ肉盛法

WAAM 方式に対し，熱源にレーザを用いるプロセLMD-W）である．WAAM 方式は先述した入熱コント

技術解説＞金属積層造形技術

23*Courtesy of Fronius and Aichi Sangyo

Blade*Courtesy of WAAM 3D and Aichi Sangyo

Fig. 6. Device appearance and application examples ofWAAM.
ロールが課題となるが，レーザはアークと比較して温度Fig. 7. Device appearance and application examples ofLMD-W.
*Courtesy of Mitsubishi Electric Corporation
Additive Manufacturing，WEBAM）がある．WEBAM 方が低く，かつレーザプロファイルなどの照射制御が可能

式は粉末タイプの EBM 方式と同じく真空下にて電子な熱源であるため，WAAM 方式と比較して低入熱でのビームを照射し，溶接ワイヤを溶融・凝固させ積層す造形，および低入熱による成分偏析や応力変形の抑制，るプロセスである．真空下でのプロセスになるため，やや複雑な形状や薄肉の造形が可能である．同じレーWAAM 方式や LMD-W 方式では必須であるシールドガ

ザタイプの DED 方式である LMD-P 方式は，溶融プースによる大気遮断が不要で高品質な造形物を作製するこルへの粉末投入時に集束点から外れた粉末が溶融プールとが可能である．また，レーザと比較して材料のエネルに投入されず，造形物形成におけるロスとなり造形歩留ギー吸収率が高く，高融点材料の造形も可能である．一りが低下するものの，LMD-W 方式では溶接ワイヤを溶方で，真空環境における造形プロセスのため，真空チャ融プールに直接投入できるため，高歩留りの造形が可能ンバーが必要になることから，協働ロボットと組み合である．また，レーザをパルス状に照射し入熱を必要最せ，シールドガスを用いて大気環境での造形が可能な低限に抑えることで形状精度を向上させるなどの開発もWAAM や LMD-W に対して，造形物サイズは真空チャ行われている 18）．LMD-W 方式の装置外観と製品事例をンバーの大きさに依存する．Fig. 8 に代表的な WEBAM

Fig. 7 に示す．

装置の外観と製品事例を示す．WEBAM 方式は，その4.

ワイヤとの組合せで航空・宇宙分野での適用が進んでい3電子ビームワイヤ積層造形法

材料に溶接ワイヤ，熱源に電子ビームを用いるプロセスに電子ビームワイヤ積層造形法（Wire Electron Beam

特徴である真空下での造形プロセスを活用し，Ti 合金る 19）．

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電気製鋼 第 92 巻第 1 号 2021 年（文献）1）Hideo Kodama：Review of science instruments，52（1981），11，1770．
2）木寺正晃：生産加工技術を支える機械と工具，9（2019），12，47．
3）木寺正晃：溶接学会誌，90（2021），1，23．

4）PRECITEC社ホームページ：https://www.precitec.com/
jp/laser-welding/products/processing-heads/coax-printer/5）産業用3Dプリンターの最新技術と先進分野への応用，技術情報協会，2018．
6）Sciaky社ホームページ：https://www.sciaky.com/
additive-manufacturing/wire-vs-powder7）ANIWAA社ホームページ： https://www.aniwaa.com/
product/3d-printers/additec-uprinter/8）漆崎幸憲，上出義和：素形材，53（2012），9，48．

9）阿部諭，上本誠一：パナソニック技報，62（2016），2，92．

10）GE Additiveホームページ：https://www.ge.com/Fig. 8. Device appearance and application examples ofWEBAM.
*Courtesy of SCIAKY and Aichi Sangyo

5．おわりにここで挙げた積層造形技術は，代表的なプロセスに絞って述べている．積層造形技術は日々進化しており，新たな造形プロセスも開発されている．積層造形技術は各プロセスに一長一短があり，各ユーザーが目的に合わせ最適なプロセスを選定する必要がある．また，従来技術で製造する部品を積層造形技術に単純に切り替えるだ
けでは，コスト増大に繋がり，積層造形技術の利点が活かせないことが多い．積層造形技術を取り入れる場合，積層造形技術の特徴を活かし，部品設計の段階から検討する必要がある．日本は海外に比較し，積層造形技術の活用は遅れており，今後の市場成長に期待する．

additive/stories/new-manufacturing-milestone-30000additive-fuel-nozzles

11）千葉晶彦：スマートプロセス学会誌，3（2014），3，152.

12）Metal Powder Report，74（2019），5，272．

13）山本誠栄：ぷらすとす，3（2020），34，592．

14）オークマ㈱ホームページ：https://www.okuma.co.jp/
product/laserex/15）Damen Shipyards Groupホームページ：https://www.

damen.com/en/news/2017/09/3d_printed_ships_
propeller_takes_step_closer_to_completion16）MX3D社ホームページ：https://mx3d.com/company/
news-awards-media/

17）Metal Powder Report，72（2017），4，279．

18）三 菱 電 機 ㈱ ホ ー ム ペ ー ジ： h t t p s : / / w w w .

mitsubishielectric.co.jp/corporate/randd/list/
mechatronics/b233/index.html

19）Sciaky社ホームページ：https://www.sciaky.com/

additive-manufacturing/electron-beam-additive-

最後に，本稿を執筆するにあたり，装置写真および製品事例の画像をご提供頂いた，GE Additive殿，三菱電機

manufacturing-technology㈱殿，オークマ㈱殿，愛知産業㈱殿に感謝の意を表します．
※ DAP，HTCは大同特殊鋼㈱の商標または登録商標です．
大﨑元嗣