事業紹介

山陽特殊製鋼の 3D プリンティング用粉末事業への取り組み‌プリンティング小特集

3D

西川 俊一郎*NISHIKAWA Shun-ichiro

1. はじめに

3Dプリンティング用粉末事業に対する我々の考え方、取り組み方針の大枠を紹介したい。初めに、金属3Dプリン

金属3Dプリンティング（金属3D造形）は複雑形状の部

ティングに関する基本的な情報として、各種造形方式の概品や金型等を効率的に製造する次世代技術として、航空・略、およびその市場の展望について解説する。さらに、当

宇宙、自動車、エネルギー、生体材料等様々な分野で注目社の3D粉末に優位性を持たせるための取り組みとして、を集めている。当初は原料が樹脂に限定されていたが、造形も含めたトータルソリューションの提案、国家プロレーザーや電子ビームといった高エネルギーの熱源を用いジェクトへの参画、新規開発製品のコンセプトについて紹る金属3D造形機の開発に伴い、金属粉末を用いた工業製介する。

品としての3Dプリンティングの適用が本格的に指向され

なお、本小特集では以降の記事にて、当社の3Dプリン

1)ることとなった 。

ティング用粉末のラインナップ、粉末製造技術、造形技術

金属粉末の製造方法は、表１に示す通り溶解プロセス、向上に向けた取り組み、および新規製品開発についての実機械的プロセス、化学的プロセスに大別され、アプリケー例を紹介しており、詳細はそちらを参照されたい。

ションや粉末組成、製品に必要とされる特性に応じた製造
表1 金属粉末の製造方法の分類

方法を選定することが最も重要な材料設計の一つである。
この中でガスアトマイズ法は溶解プロセスに分類される製金属粉末製造方法

法である。
得られる粉末は球形状であり、酸素値が粉末品としては粉末の種類

ガスアトマイズ法

Ni, Fe, Al, Ti, 超合金

水アトマイズ法

Fe, Cu

ディスクアトマイズ法

Al, Pb, Sn

単ロール液体急冷法

アモルファス, 磁性材料

プラズマ回転電極法

Ti

粉砕法

Fe, Al, Cu, Cr

低いことを特徴としており、大量生産に優れた工業的粉末溶解プロセス製造法として古くから各種分野で活用されている。
当社では、ガスアトマイズ粉末が有する高品質な粉体特性と工業的生産性などの優位性に加え、本製造方法特有の溶融状態からの急冷微細組織が様々な機能材料分野においてメリットとなりうることに着目し、1989年に粉末事業を立ち上げて以来、各種サイズのガスアトマイザーを導機械的プロセス入してきた。2017年には、さらにハイクリーンな粉末製品への要望に対応すべく第2粉末工場を建設し、最新鋭のガスアトマイザー2基とディスクアトマイザー1基も導入し、現時点では表2に示す体制を整えている。現在では、自動車、電子材料等、各種産業で活用され、使用される材化学的プロセス料も構造材から機能材料まで多岐にわたっている。特に今回の小特集のテーマである3Dプリンティングは、その市場期待性、ガスアトマイズ粉末とのマッチング、いずれの観点からも非常に期待できる分野であり、当社が最も力を入れて取り組んでいる新規アイテムの一つである。
本報では、3Dプリンティング小特集の編纂にあたり、
*

粉末事業部

メカニカルアロイング法

アモルファス,分散強化合金

還元法

Fe, Cu, Co, Al, Ni, W

電解法

Cu, Fe, Ni, Cr, Agカーボニル法

Ni, Fe

粉末営業部長25

Sanyo Technical Report Vol.27 (2020) No.1

山陽特殊製鋼の3Dプリンティング用粉末事業への取り組みく広がったと言える。

表2 山陽特殊製鋼のアトマイズ装置‌プリンティング小特集

3D装置

間接積層法はバインダージェット法とも呼ばれ、樹脂を溶解能力/バッチ

用途

2 kg

開発用

30 kg

試作・少量量産用

50 kg

試作・少量量産用

パウダーデポジションは、ノズルから金属粉末を噴射し200 kg

量産用ながらレーザー照射により金属を溶融して堆積させる方式

300 kg

量産用である。レーザー肉盛り溶接としての使用も可能であり、2,000 kg

量産用

5 kg

開発用

30 kg

開発用

ガスアトマイザー

ディスクアトマイザー

混合した粉末、もしくは粉末に樹脂を噴霧するなどバインダーを介して造形する方式で、造形後に脱脂、焼結工程を必要とする点で金属射出成形(MIM)に近い工法と言える。

金型や部品の補修などにも期待されており、日本でも多数のメーカが装置をリリースしている。
パウダーベッドの中でも特に直接積層法、およびパウダーデポジション法については、下記の二点が粉末への基本要求特性となる。

2. 金属3Dプリンティングの造形方式

・使用する粉末の粒径が数 μm～150 μm
・金属粉末の搬送・敷き詰めを要する工程であるため、するなどバインダーを介して造形する方式で、造形後に脱脂、焼結工程を必要とする点で金属射出成

図1に金属3Dプリンティングの造形方式を示す。造形

粉末は球形状であることが必要型(MIM)に近い工法と言える。

方式は粉末床溶融結合法(パウダーベッド)と指向性エネル
これらは、ガスアトマイズ法で得られる粉末特性に合致
パウダーデポジションは、ノズルから金属粉末を噴射しながらレーザー照射により金属を溶融してギー積層法(パウダーデポジション)に大別される。パウしており、当社粉末事業の柱となるアイテムとして注目し堆積させる方式である。レーザー肉盛り溶接としての使用も可能であり、金型や部品の補修などにも期待されており、日本でも多数のメーカが装置をリリースしている。
ダーベッド法は、さらに直接積層と間接積層に分類された所以である。

パウダーベッドの中でも特に直接積層法、およびパウダーデポジション法については、下記の二点る。

が粉末への基本要求特性となる。

3. 市場展望

直接積層法は、金属粉末を敷き詰め、熱源となるレー・使用する粉末の粒径が数 μm～150 μm

ザーや電子ビームで造形する部分のみを溶融・凝固させる・金属粉末の搬送・敷き詰めを要する工程であるため、粉末は球形状であることが必要方法である。冒頭に述べた通り、樹脂を用いず金属をその図2に3D造形機の出荷台数の推移を示す。装置出荷台

まま溶融する直接造形法の開発により、高密度な造形体が数は2012年頃から著しく増加し始め、2018年には約

これらは、ガスアトマイズ法で得られる粉末特性に合致しており、当社粉末事業の柱となるアイテムとして注目した所以である。

得られるようになったことで金属3D市場の可能性は大き

図 2 金属積層造形装置の出荷台数の推移
図 1 金属 3D プリンティングの造形方式
図2 金属積層造形装置の出荷台数の推移
図1 金属3D プリンティングの造形方式
出典：WohlrsReportReport2019
2019
出典：Wohlrs

図 2 金属積層造形装置の出荷台数の推移

市場展望
図 2 に 3D 造形機の出荷台数の推移を示す。装置出荷台数は 2012 年頃から著しく増加し始め、2018

出典：Wohlrs Report 2019

年には約 2300 台にまで到達している。
NEDO(国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)の発表 2)によると、2030 年の金属D 市場の予測規模は、造形品として約 2 兆円にまで成長するという。
この造形品市場について業種別で整理すると、図 3 に示す通り現時点で実用化がすでに進んでいる医療、航空宇宙、発電分野がさらに飛躍することに加え、日本が得意とする金型や工具分野が 8000億円で筆頭市場になると予測されていることも特筆すべき点である。

図3 2030年の造形品の業種別予測市場
出典：新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)
平成30年度NEDO 『TSC図 3 2030 年の造形品の業種別予測市場
Foresight 』セミナー（第3回）TSC Foresight金属積層造形プロセス概要
出典：新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO) 平成 30 年度 NEDO 『TSC Foresight 』セミナー（第 3 回）TSC Foresight
金属積層造形プロセス概要

4. 金属 3D プリンティング事業への取り組み方針

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Sanyo Technical Report Vol.27 (2020) No.1

山陽特殊製鋼の3Dプリンティング用粉末事業への取り組み

更に造形技術を得ることで最終部品の設計までが可能となり、顧客へのトータルソリューションとれたと見ることもできる。当社は、合金粉末メーカとし2300台にまで到達している。
2)開発機構)の発表 によると、2030年の金属3D市場の予得ることで最終部品の設計までが可能となり、顧客への社製：M280, M290 各 1 台)、および造形体の非破壊検査装置として
X 線 CT スキャン(ニコン社製：測規模は、造形品として約2兆円にまで成長するという。

トータルソリューションとしての提案が期待できる。こす通り現時点で実用化がすでに進んでいる医療、航空・宇3D造形機(EOS社製：M280、M290各1台)、および造宙、発電分野がさらに飛躍することに加え、日本が得意と形体の非破壊検査装置としてX線CTスキャン(ニコン社する金型や工具分野が8000億円で筆頭市場になると予測

製：MCT225)を導入し、顧客における製品性能を意識されていることも特筆すべき点である。

した素材開発を行っている(図4)。

MCT225)を導入し、顧客における製品性能を意識した素材開発を行っている(図4)。
この造形品市場について業種別で整理すると、図3に示れら考えのもと、当社では他社素材メーカに先駆けて、

4. 金属3Dプリンティング事業への取り組み方針②国家プロジェクトへの参画‌ 3Dプリンティング市場は欧米諸国の攻勢が激しく、ここまでに、3Dプリンティングとガスアトマイズとの日本は装置および造形品ともに実用化の観点で後れを相性、3Dプリンティングの多様な造形方式、今後10年間取っていることは否めない。今後、国内需要を拡大さでの著しい市場拡大予測、について簡単に紹介した。これ

せ、世界市場への展開も図るためには、装置メーカ、粉らの情報を踏まえ、当社の3D用粉末に優位性を持たせる末メーカ、ユーザーが一体となったオールジャパンとし
図 4 当社 3D プリンティングの開発体制ための取り組みとして、①造形も含めたトータルソリューての取り組みも重要である。

ションの提案、②国家プロジェクトへの参画、③重点鋼種‌ こ の よ う な 状 況 で 、 経 済 産 業 省 は 2 0 1 4 年 にの選定と新規開発製品のコンセプトについて紹介する。

TRAFAM(技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合② 国家プロジェクトへの参画

3D プリンティング市場は欧米諸国の攻勢が激しく、日本は装置および造形品ともに実用化の観開発機構)を立ち上げた。本プロジェクトでは、1.積層①造形も含めたトータルソリューションの提案
造形のメカニズムを明確にする、2.世界を凌駕する高点で後れを取っていることは否めない。今後、国内需要を拡大させ、世界市場への展開も図るため‌ 3Dプリンティングは、原料となる粉末からダイレク速・高精度な積層造形装置の開発、3.積層造形に適しトに個別製品を製造することで、鋳造や機械加工、熱処た材料(粉末)の開発、を目的としており、既に国産のには、装置メーカ、粉末メーカ、ユーザーが一体となったオールジャパンとしての取り組みも重要である。
理など多くの工程を省略することが可能である。3Dプ

3D造形機が各種発売され、量産アプリケーションへのこのような状況で、経済産業省は 2014 年に TRAFAM(技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総リンティングでは、工程が簡略化されたことで、従来工適用が進んでいる。

更に造形技術を得ることで最終部品の設計までが可能となり、顧客へのトータルソリューションと法の各工程が有してきた技術を造形のみで実現させる必‌ 当社もこのプロジェクトに参画して、量産適用に向け合開発機構)を立ち上げた。本プロジェクトでは、1.積層造形のメカニズムを明確にする、2.世界をしての提案が期待できる。これら考えのもと、当社では他社素材メーカに先駆けて、
3D 造形機(EOS
要があるため、造形用粉末には、素材物性のみでなく、た工業製品の提供を可能とする粉末工程の開発に取り組凌駕する高速・高精度な積層造形装置の開発、3.積層造形に適した材料(粉末)の開発、を目的として最終製品の機能までを把握した設計が求められる。一んできた。具体的には、ガスアトマイズ法で製造した粉社製：M280, M290 各 1 台)、および造形体の非破壊検査装置としてX 線 CT スキャン(ニコン社製：
おり、既に国産の3D造形機が各種発売され、量産アプリケーションへの適用が進んでいる。
方、工程が省略されたことは、3Dプリンティングにお末を効率よく3Dプリンティング用に改善する形状改善方
MCT225)を導入し、顧客における製品性能を意識した素材開発を行っている(図 4)。
けるポイントが主に素材粉末と造形技術の２つに集約さ法の確立である。ガスアトマイズ粉末は、比較的大きな当社もこのプロジェクトに参画して、量産適用に向けた工業製品の提供を可能とする粉末工程の開発に取り組んできた。具体的には、ガスアトマイズ法で製造した粉末を効率よく 3D プリンティング用に改善する形状改善方法の確立である。ガスアトマイズ粉末は、比較的大きな粒子(100 μm 前後)の周りに、細かい粒子(数 μm)が付着する“サテライト”と呼ばれる粉末が生成される場合があり、これが粉末ハンドリング時の流れ性を阻害する要因となる。当社では、サテライト粒子を効率的に改善する手段として、図 5 に示すように粉末同士を空気流で衝突させ解砕する工程と、解砕後の微粉末を遠心力で分離する工程を連続的に行える方法を検討し、良好な流れ性を有する粉末を低コストで製造する工程を確立した。更に、顧客での生産や最終製品の特性も加味しながら独自の改善も当社3D加え、更なる競争力強化を推進している。
図 4図4
当社
3D プリンティングの開発体制
プリンティングの開発体制② 国家プロジェクトへの参画
3D プリンティング市場は欧米諸国の攻勢が激しく、日本は装置および造形品ともに実用化の観点で後れを取っていることは否めない。今後、国内需要を拡大させ、世界市場への展開も図るためには、装置メーカ、粉末メーカ、ユーザーが一体となったオールジャパンとしての取り組みも重要である。

粉末形状改善方法の模式図
図 5図5
粉末形状改善方法の模式図
このような状況で、経済産業省は 2014 年に TRAFAM(技術研究組合次世代３Ｄ積層造形技術総合開発機構)を立ち上げた。本プロジェクトでは、1.積層造形のメカニズムを明確にする、2.世界を27

Sanyo Technical Report Vol.27 (2020) No.1凌駕する高速・高精度な積層造形装置の開発、3.積層造形に適した材料(粉末)の開発、を目的としており、既に国産の 3D 造形機が各種発売され、量産アプリケーションへの適用が進んでいる。

3D‌プリンティング小特集て素材開発・製造の強みを有しており、更に造形技術をNEDO(国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合しての提案が期待できる。
これら考えのもと、当社では他社素材メーカに先駆けて、
3D 造形機(EOS山陽特殊製鋼の3Dプリンティング用粉末事業への取り組み

5. 終わりに粒子(100μm前後)の周りに、細かい粒子(数μm)が付着‌プリンティング小特集

3Dする“サテライト”と呼ばれる粉末が生成される場合があり、これが粉末ハンドリング時の流れ性を阻害する要本報では、3Dプリンティング用粉末事業に対する我々因となる。当社では、サテライト粒子を効率的に改善すの考え方、取り組み方針の大枠を紹介した。3Dビジネスる手段として、図5に示すように粉末同士を空気流で衝は、その形状自由度、工程簡略化、小ロット生産の観点で突させ解砕する工程と、解砕後の微粉末を遠心力で分離今後ますますの発展が見込める有望市場である。当社の取する工程を連続的に行える方法を検討し、良好な流れ性り組みが、3Dプリンティング市場の更なる拡大、市場創を有する粉末を低コストで製造する工程を確立した。更成に繋がれば幸甚である。に、顧客での生産や最終製品の特性も加味しながら独自参考文献の改善も加え、更なる競争力強化を推進している。

1) 柳谷彰彦：特殊鋼, 65(2016)4, 2-5．

③重点鋼種の選定と新規開発製品のコンセプト2) ‌新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)：平成‌ 表3に3Dプリンティングに使用されている主な合金とその用途を示す。図3で説明した通り、3Dプリン

30年度NEDO 『TSC Foresight 』セミナー（第3回）

ティング市場では、医療、航空・宇宙、発電分野ではすTSC Foresight金属積層造形プロセス概要．
3) 久世哲嗣：山陽特殊製鋼技報, 23(2016)1, 31-33.

でに量産化も進んでおり、当社としてもいち早く取り組んだアイテムである。この中で、例えばチタン合金のような活性な金属は，坩堝と接触しないアトマイズを採用しているケース3)もあるが，我々は汎用的な耐火物を使用したガスアトマイズに強みがあり、鉄、 ニッケル、コバルト、銅基を標準組成としてラインナップ化し、造形に適した組成改良、粉末形状改善を進めている。
‌ また、3Dプリンティングに適した新規合金の提案にあたっては、各業界のユーザーへのヒアリングから量産化に対して素材的な課題を有する下記のアイテムを重点方針として取り組んでいる。
‌ (1) 特化物対応用Co(コバルト)フリーマルエージング鋼‌ (2) 高密度・高熱伝導性に優れたCu(銅)合金‌個別の取り組み内容の詳細については以降の技術紹介、製品紹介等を参考にされたい。

表3

合金系

3Dプリンティングに使用されている主な合金とその用途

材料

用途例

業界

SUS316L

耐食部品

産業機械、試作

SUS630耐食部品・金型等

産業機械、試作

マルエージング鋼

金型等

鋳造

Ni基

Ni基超合金

高温・耐食材料

航空・宇宙、発電

Co基

CoCrMo合金

生体材料

医療

Cu基

純Cu、Cu合金

伝熱性材料

産業機械

Ti基

Ti-6Al-4V

生体材料

医療

Al基

Al-Si-Mg

自動車・航空機部品

自動車

Fe基

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