【簡単にわかる】金属3Dプリンターとは【アーク溶接・WAAM方式】

【簡単にわかる】金属3Dプリンターとは【アーク溶接・WAAM方式】科学の教養
悩みを抱えた男性
  • 金属3Dプリンターって可能なの?
  • 金属3Dプリンターにはどんな種類がある?
  • WAAM方式(アーク溶接)について詳しく知りたい!

『3Dプリント』はたくさんの魅力に溢れてます。

  • 無駄が少ない・出ない
  • 独創的な・型にハマらない形
  • 3Dデザイン(CAD)のまま作れる

これらは、ほんの一部ですが、どれも試作や試験にぴったりな特徴です。

ただ、プラスチックを使った3Dプリンターは家庭用にまで普及しているのに対して、金属の3Dプリンターは業務用も発展途上

金属を使った製品は、切削したり、鋳造したりするが主流です。

ということで、本記事はこれからが期待される『金属3Dプリンター(アディティブマニュファクチャリング|AM)』についてご紹介します。

インターン先で、金属3Dプリント(WAAM方式)に携わっていたので、そこでの研究や経験をもとに、より深堀りしていきます。

✔️本記事で学べること

  • 金属3Dプリンターとは
  • 金属3Dプリンターのメリット・デメリット
  • 金属3Dプリンターの種類・分類
  • WAAM方式とは・魅力・種類

それでは見ていきましょう。

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金属3Dプリンターとは

金属3Dプリントするエンジンのコンセプト

金属3Dプリント』とは、金属を積層していく加工方法です。

型に溶けた金属を流しこむ鋳造や、金属の塊を削っていく切削とはまた違った、加工方法になります。

注目を集めている『金属3Dプリント』ですが、なにがそんなに良いのでしょうか?

まずは、それらを見ていきましょう。

金属3Dプリンターのメリット(魅力)

『金属3Dプリンター』の魅力・使うメリットはこちらになります。

  • より少ない材料とゴミ
  • より自由な設計ができる
  • より安全な作業場をつくる
  • より効率的な造りを試せる
  • 好みに合わせて作り替えられる
  • より手早いデザイン設計 ✖︎ プロトライプ作成

鋳造の型をつくる必要もなければ、切削による無駄も抑えられる。

そんな効率と自由さを兼ね備えた加工方法こそが、『金属3Dプリント』なのです。

金属3Dプリンターのデメリット(課題)

金属でできた機械の置かれた作業場

ただ、まだ現場での活用が多くないのには、多くの課題が背景にあります。

たとえば、

  • プラスチックに比べて、『金属3Dプリンター』ではより高温で溶かす必要あり
  • 金属は熱伝導性が高いため、温度が違う一層ごとに合わせた加工が必要

よって、『金属3Dプリンタ』はまだ発展途中の段階にあります。

その結果、いまだ価格競争がおこらず、なかなか手の届かない価格帯になっているのです。

このように、たしかに『金属3Dプリンタ』への注目度が高いですが、費用対効果を考えた際に、まだ実用への課題が多く残されているようです。

金属3Dプリンターの種類・分類

金属3Dプリントする溶接機のトーチ

実は『金属3Dプリンタ』と一言に言っても、たくさんの種類・方式があります。

大まかに分けると、まずは二つに分類できます。

  • パウダーベッド方式(PBF)
  • デポジション方式(DED)

それぞれの比較しながら、より細かい分類も見てみましょう。

パウダーベッド方式(PBF)とは

パウダーベッド方式(Powder Bed Fusion|PBF)とは、金属粉末のプールを部分的に溶かす・焼結させることで積層する加工方式です。

液体ポリマーに照射させて硬化させる『光造形法(ステレオリソグラフィー)』に似た方式になります。

小さいモデルや複雑なパーツをプリントアウトするのに適していますね。

ただ、規模を大きくするのには、あまり適していません。

パウダーベッド方式の種類として、以下の二つが有名どころになります。

  • レーザー積層造形法(Selective Laser Melting|SLM)
  • 電子ビーム溶解(Electron Beam Melting|EMB)方式

簡単にいえば、焼結させている熱のもとが、レーザーなのか電子ビームなのか、という違いです。

デポジション方式(DED) とは

アークと共に板上に積層される金属

デポジション方式(Direct Energy Deposition|DED)とは、金属のワイヤーや粉末を溶かして、土台の上に積層していく方式です。

家庭用のプラスチック3Dプリンターに用いられる『熱溶解積層法(Fused Deposition Modeling|FDM)』に近い方式になります。

デポジション方式のメリットには、これらが挙げられます。

  • より速い加工速度で、大規模にも適している
  • 異なる金属を加えることもできる
  • より高密度で強いパーツを加工できる

より大きな金属部品をプリントアウトするのに適していますね。

ただ、精密性には難があるようです。

そして、デポジション方式にも、熱源によって4つに分類することができます。

  • 電子ビーム溶解(Electron Beam Melting|EMB)方式
  • プラズマデポジション(Rapid Plasma Deposition|RPD)方式
  • アーク溶接(Wire Arc Additive Manufacturing|WAAM)方式
  • レーザー加工ネットシェイピング(Laser Engineered Net Shaping|LENS)方式

パウダーベッド方式と同様に、アーク・プラズマ・レーザー・電子ビームと熱源によって分類されていることがわかりますね。

それでは、WAAM方式(アーク溶接)に焦点をしぼって、詳しく見てみましょう。

WAAM方式(アーク溶接)とは・魅力

ロボットアームで動作するアーク溶接機

WAAM方式とは、ワイヤー・アーク・アディティブマニュファクチャリング(Wire Arc Additive Manufacturing)の略称です。

名前にある通り、アーク放電の熱を使って、金属ワイヤーを溶かして、溶接・積層していきます。

ディポジション方式では、金属ワイヤーだけでなく、金属粉末に使うことができます。

ただ、金属ワイヤーと粉末を比べると、WAAM方式の魅力が見えてきます。

  • ワイヤーの方が安価
  • ワイヤーの方が扱いやすい
  • ワイヤーの方がリード時間が短め
  • 粉末の方がより自由にデザイン設計が可能

効率性や費用を考えると、WAAM 方式のメリットが際立って見えますよね。

それでは、さらに細かく WAAM方式の分類を見てみましょう。

WAAM方式(アーク溶接)の種類・分類

激しいスパークを発生させる溶接機

WAAM方式も、さまざまな放電アークの発生方法によって、分類することができます。

ここでは、ガスシールドアーク溶接である、次の4種類を紹介していきます。

  • ガスメタルアーク溶接(GMAW)
  • プラズマアーク溶接(PAW)
  • ティグ溶接(TIG)

簡単にみていきましょう。

ガスメタルアーク溶接(GMAW)とは

ガスメタルアーク溶接(Gas Metal Arc Welding|GMAW)は、ワイヤーの先端でアークを発生させて、溶接していきます。

トーチの先からは、電極でもあるワイヤーだけでなく、シールディング(遮断)ガスを噴射します。

その空気は、空気中の酸素や窒素などと、溶けた金属面が反応するのを防ぐ役割があります。

そして、この空気の種類によって、二つの溶接方式に分けられます。

  • ミグ溶接(Metal Inert Gas|MIG)
  • マグ溶接(Metal Active Gas|MAG)

ミグ溶接は、鉄類以外の溶接で活用されて、アルゴンやヘリウムなどのシールディングガスが使われます。

対して、マグ溶接は、鉄類の溶接に活用されて、二酸化炭素やアルゴン、酸素が混ぜられたシールディングガスが利用されますよ。

プラズマアーク溶接(PAW)とは

暗闇の中の眩しいアークの光

プラズマアーク溶接(Plasma Arc Welding|PAW)では、タングステンを電極に、放電アークを発生させます。

タングステンは消費されませんが、ワイヤーを横から与えてあげる必要があります。

また、ミグ溶接のように、アルゴン等のシールディングガスを噴射しますね。

ただ、PAWでは追加で、プラズマガスの噴射が必要になります。

ティグ溶接(TIG)とは

ティグ溶接(Tungsten Inert Gas|TIG)は、PAW と同様に、タングステンを利用してアークを発生させる方式です。

ガスタングステンアーク溶接(Gas Tungsten Arc Welding|GTAW)とも呼ばれています。

PAWに似ていますが、つぎの違いがあります。

  • プラズマガスが必要ない
  • タングステンの電極がノズルの外に出ている

こうしてみると、用途に合わせた溶接方法を考える必要がありそうですね。

【まとめ】金属3Dプリントはまだまだこれから!

自動車を3Dプリントするコンセプトデザイン

このように、『金属3Dプリンター』なかなか興味深いですね。

量産には適していないですが、これからの時代、自由なデザイン・効率的な設計が主流になっていく中で、注目度が高いですね。

この記事からも分かるように、多くの種類へと分類・比較ができます。

すべてを知ることは難しいですが、表面だけでも知れると、それぞれに合った用途が見えてきますね。

この記事が、参考になったのなら幸いです。

わたしが金属3Dプリントについて調べていく中で参考にした資料はこちらです。

『参考資料一覧』

  1. Buchanan, C. and Gardner, L. “Metal 3D printing in construction: a review of methods, research, applications, opportunities and challenges,” 2019.
  2. Rodrigues, T.A. Duarte, V. Miranda, R.M. Santos, T.G. and Oliveira, J.P. “Current status and perspectives on wire and arc additive manufacturing (WAAM),” 2019.
  3. Li, J.L.Z. Alkahari, M.R. Rosli, N.A.B. Hasan, R. Sudin, M.N. and Ramli, F.R. “Review of wire arc additive manufacturing for 3D metal printing,” 2018.
  4. Ding, J. Martina, F. and Williams, S.W. “Production of large metallic components by additive manufacture – issues and achievements,” 2015.
  5. Xia, C. Pan, Z. Polden, J. Li, H. Xu, Y. Chen, S. and Zhang, Y. “A review on wire arc additive manufacturing: monitoring, control and a framework of automated system,” 2020.
  6. Hunko, W. “Cold Metal Transfer-Gas Metal Arc Welding (CMT-GMAW) Wire + Arc Additive Manufacturing (WAAM) Process Control Implementation,” 2018.

英語ですが、わかりやすく書かれているので、興味がある方はぜひ読んでみてください。

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