※ この記事はAll3DP.com掲載のPaul Dughi氏による記事「3D Printing Aluminum – The Ultimate Guide」を翻訳・転載したものです。
自動車部品のスペアパーツから衛星アンテナに至るまで、3Dプリントされたアルミニウム部品の用途が拡大しています。3Dプリント用に開発された新しいアルミニウム材料や、それらを最適化するため精密に調整された3Dプリンターの登場がその要因です。従来の製造方法で作られたアルミニウムよりも優れた材料特性を持ち、3Dプリントでのみ可能な複雑な形状の部品が製造されています。
例えば、スカルマロイ（Scalmalloy）を取り上げてみましょう。これは、スカンジウム、アルミニウム、マグネシウムからなる高性能合金で、APWorksによって3Dプリント用に開発されたもので、チタンよりも強いと言われています。この合金は、2022年にスイスでFilippo Ganna氏が記録した速度（56.8km/h）に貢献した3Dプリント製自転車フレームとして最近試験されました。この「世界最速の自転車」は、大型フォーマットのEOS M400マシンで3Dプリントされています。
Uniformity Labsが3Dプリンティング用に開発した新しいUniFuseアルミニウム合金（AlSi10Mg）は、レーザーパウダーベッド融合方式のアルミニウムプリントを大幅に高速化し、価格が近い競合他社の材料よりも優れた特性を実現すると同社は述べています。
SLM Solutions とVelo3Dは、アルミニウム合金F357から新しいレベルの部品性能を引き出すため、3Dプリンターで新しいプロセスを提供しています。このアルミニウム合金は、伝統的な製造方法では難しい薄壁構造や複雑な構造を3Dプリントするのに理想的であるとSLM Solutionは述べています。
例えば、航空宇宙会社のHoneywellはSLMと協力して、F357の部品を飛行用に認証する作業を行っています。一方、Velo3Dは、フォーミュラ1、NASCAR、その他のレースシリーズに先進的な冷却ソリューションを供給する世界的なサプライヤーであるPWRとパートナーシップを結び、鋳造に代わるF357部品を製造し、今までよりも迅速でより優れた材料特性の部品を生産しています。
3Dプリンターメーカーの Trumpfは2022年後半に、金属粉末メーカーのCKA Granuleと密に協力して、レーザーパウダーベッドマシン用に調整されたアロイアルミニウム合金CustAlloyを提供し、新しい自動車用途に取り組んでいると発表しました。
3Dプリントされたアルミニウムの新しい用途を推進するために、プリンターメーカーと材料メーカーがどのように協力しているか見てみましょう。
3Dプリントアルミニウムの長所
アルミニウム合金は優れた化学的耐性を持ち、非常に軽量で、どの金属にも匹敵する最高の強度対重量比を持っています。シリコンとマグネシウムと組み合わせると、厳しい条件に耐える能力を持つため、航空宇宙業界や自動車業界における有力な選択肢となります。
アルミニウムや他の金属で3Dプリントを行う最大の利点の一つは、他の方法では製造不可能な内部チャネルや機能を持つ部品を作成できることです。複数部品のアセンブリを一つのユニットとしてプリントすることで、製造や組立時間を大幅に短縮し、全体としてより効率的な部品を開発できます。
減算的なCNC加工とは対照的に、3Dプリントはほとんど廃棄物を生み出しません。高価な原材料を扱う際、廃棄物を最小限に抑えられることは大きなプラスです。これは特に、購入した原材料と最終部品の重量比である「バイ・トゥ・フライ（buy-to-fly）」比率を常に改善しようと努める航空宇宙業界にとって興味深い点と言えるでしょう。
アルミニウムの鋳造や加工は、しばしば生産コストが高く、製造中により多くのエネルギーを使用します。さらに、工具や成形金型の取得にも追加コストがかかります。それと比較して、アルミニウムを使用した3Dプリントでは、他のどの製造方法でも不可能な高精度で複雑な形状や構造を作り出すことができます。
設計作業はソフトウェアで行われ、物理的な工具や金型を使わず製造を完了できます。3Dプリント業者は、低量生産やカスタム部品を迅速かつ手頃な価格で生産でき、新たな技術による大規模生産や低運用コストの実現を可能にしています。
3Dプリントは一般的にカスタマイズや小規模生産に使用されてきましたが、これはパウダーベッド技術を使用して部品を造形するのに時間がかかるためです。しかし、LeonardoやBoeingが示すように、バインダージェット方式や指向性エネルギー堆積法（DED）、および他の造形方式がその常識も変えようとしています。
>> ALL3DPの記事「This is the World’s First 3D Printed Aluminum Guitar」を読む <<
3Dプリントアルミニウムの活用事例
自動車
ポルシェは、フラッグシップモデル911 GT2 RSのために高性能アルミニウムピストンを3Dプリントし、700PSのツインターボエンジンから最大30PSの追加出力を得るとともに、効率を向上させました。3Dプリントによって、作用する荷重に最適化された構造でピストンを製造することが可能になりました。その結果生まれたアルミニウムピストンは、鍛造されていたものよりも10％軽量です。また、従来の方法では製造できなかった、ピストンクラウンに統合された閉鎖型の冷却ダクトも備えています。
「新しい軽量ピストンのおかげで、エンジン回転数を増加させ、ピストンへの温度負荷を低減し、燃焼を最適化することができます」と、ポルシェの先進ドライブ開発部門のFrank Ickinger氏は説明しています。
ポルシェは2020年に、3Dプリントされたアルミニウムを使用して、電気自動車用の最初のハウジングを製造しました。レーザーを使用して製造されたエンジン・ギアボックスユニットは、品質とストレステストを問題なく通過したと同社は述べています。
メルセデス・ベンツは、トラックや自動車のラインアップに対してアルミニウム製の交換部品を3Dプリントし、それらを改良しています。一例として、300 SLクーペの内側ミラー基部の交換部品は、道路安全性の観点から機能変更を加えられ、後方の視界が最適化されています。アルミニウムの3Dプリントは、アフターマーケット部品においても人気が高まっています。世界中の自動車修理業者は、OEM部品が入手不可能な場合に3Dプリントされたアルミニウムを使用しています。
航空宇宙産業
航空宇宙産業では、軽量な金属としてチタンがしばしば選択されますが、アルミニウムも多くの用途で依然として主力です。エアバスは、3Dプリント用に特別に開発したアルミニウム合金を使用し、A350 XWBやその他の航空機に3Dプリント部品を使用しています。また、通信衛星においてもアルミニウムの3Dプリント部品を使用しており、その部品の数は500以上にのぼります。
最近のAML3Dとのコラボレーションに加えて、ボーイングは航空機、衛星、ヘリコプターにおいて3Dプリントされたアルミニウム部品を使用しています。冷却段階でナノ粒子のコーティングを施したアルミニウム合金を用いて3Dプリントすることで、熱割れなしで溶接できる高い強度を生み出しています。この画期的な技術は、より軽量なフレームを実現し、航空機が少ない燃料でさらに長距離移動することを可能にするかもしれません。
ヘリコプターメーカーのLeonardoは、金属3Dプリントによる油圧および流体動力システムを製造するAidroから、アルミニウム製のフライト部品を受注しました。Leonardoはアルミニウムの3Dプリントを、軽量化とよりコンパクトで複雑な飛行部品の生産手段として着目しています。
航空宇宙産業におけるこうした流れは、チタンのような特殊材料の確立を経て、プロセスが成熟し新技術が市場に出るにつれて、アルミニウムのような安価な粉末代替品が拡大する傾向を示しています。
>> ALL3DPの記事「3D Printing Aluminum Alloys for Lighter, Fuel-Efficient Aircraft」を読む <<
アルミニウムを3Dプリントする方法
ほとんどの金属3Dプリント方式でアルミニウムを扱うことができますが、それらの違いは速度やサイズ、造形精度や材料の種類とコストに現れます。
- 材料押出（FDM, Fused deposition modeling）
- レーザー粉末焼結 （LPBF, Laser powder bed fusion）
- 電子ビーム （EBM, Electron beam melting）
- 結合剤噴射（Binder Jetting）
- コールドフュージョン（Cold Fusion）
- ワイヤーを用いた積層（Wire arc additive manufacturing, WAAM）
FDM方式に関しては、現在アルミニウム金属フィラメントを提供しているのは2社のみです（The Virtual FoundryとZetamix）。この方法では、90％以上が金属となる部品を実現するために後処理が必要です。アルミニウムフィラメントはほとんどの卓上FDMプリンターで利用できるため、アルミニウム部品を得る最も安価な方法ですが、これらは主に装飾的またはプロトタイプの金属部品に使用され、機能的なものにはあまり使用されません。
レーザー粉末焼結 （LPBF, Laser powder bed fusion）
LPBFはアルミニウム3Dプリント技術の中で最も一般的ですが、この技術を持つすべてのプリンターがアルミニウムを扱えるわけではありません。扱うアルミニウムベースの合金の特性に基づいて、LPBFの印刷パラメータは最適化され調整されなければならず、多孔性、微細構造、および最終的な材料特性を制御する必要があります。これが、材料メーカーとプリンターメーカーの間に特定の関係が存在する理由です。
アルミニウムを扱う主なLPBF方式3Dプリンター
- EOS
- Concept Laser
- Velo3D
- SLM Solutions
- 3D Systems
- Trumpf
- OneClickMetal
電子ビーム （EBM, Electron beam melting）
EBMはLPBFと似たプロセスですが、レーザーの代わりに電子ビームを使用します。電子ビームの高い温度により層ごとの冷却が遅くなり、その結果、LPBFに比べて微細構造は粗大になります。純アルミニウムはEBMと互換性がありませんが、チタン-アルミニウム合金は互換性があります。
アルミニウム合金を扱う主なEBM方式3Dプリンター
- QBEAM Aero350
コールドスプレーとワイヤーを用いた積層（Cold Spray & WAAM）
コールドスプレーとWAAMは、その後より細かい公差に加工される、大型のアルミニウム部品を迅速に最終形状で作成するために使用されます。この方法は、重工業で使用される単一の部品に対して鋳造よりもはるかに経済的です。
アルミニウムを扱う主なコールドスプレー方式3Dプリンター
- Spee3D
- Impact Innovations
アルミニウムを扱う主なWAAM方式3Dプリンター
- ALM3D
- MX3D
- Gefertec
- WAAM3D
結合剤噴射（Binder Jetting）
アルミニウムを結合剤噴射方式でプリントすることは、大量の部品を迅速に印刷するための選択肢ですが、この方式には後処理が必要です。
アルミニウムを扱う主な結合剤噴射方式3Dプリンター
- Desktop Metal
特別なアルミニウム造形技術
3DプリンターメーカーのGrobは、溶かしたアルミニウムを押し出す特殊技術を提供しています。これは同社が「リキッドメタルプリンティング」と呼ぶ、粉末を用いない造形方式です。同社のGMP300は、ほぼ最終形状のコンポーネントを生産し、より厳密な公差で加工することができます。ゼロックスは、ElemX 3Dプリンターで類似の技術を提供しており、現在いくつかの米軍施設に設置されていますが、2022年にこの技術の商業化を行わないことを発表しました。
アルミニウムを大量生産レベルで3Dプリントする特殊技術を、Alloy Enterprisesというスタートアップが開発中です。同社は、アルミニウムのシートを原料として使用するシート積層型3Dプリントを活用しています。Alloy Enterprisesがその技術をマシンとして提供するかサービスとして提供するかは明確ではありません。
アルミニウムを知る
3Dプリント用アルミニウム合金の研究開発にかなりの努力が注がれています。初期段階では、エンジニアはアルミニウムの取り扱いに課題を抱えていましたが、現在はその状況も変化しています。新しい高性能アルミニウムや合金が、3Dプリントのために特別に開発され、現代の製造業者が求める特性を示しています。これらの材料は、レーザーや電子ビーム方式ならではの溶融プロセスで利用するために調整されています。
いくつかの新しいスタートアップは、3Dプリント用の高性能アルミニウム合金粉末を製造するための独自の原子化技術も生み出しています。印刷できる金属材料のリストは過去3年間で倍増し、3Dプリントを活用できるアプリケーションの数が劇的に拡大しています。
3Dプリントに特化したアルミニウム素材
- Uniformity Labsによって2023年2月に発売されたUniFuse AlSi10Mgは、50〜90マイクロの層厚で扱える、レーザーパウダーベッド融合3Dプリント用のアルミニウム粉末です。UniFuseおよびUniJet（バインダージェット）の製品ブランドとして現在生産中で、Uniformity Labsは、この粉末がスケールアップするたびに改善されると述べています。
- 2022年後半に材料会社Equispheresによって発売されたNExP-1は、3Dプリント用の非爆発性アルミニウム合金材料で、3Dプリント材料を日常的に取り扱う際の危険を減らします。Equispheresはまた、付加製造用に設計されたAlSi10Mg粉末のパフォーマンスについて、Aconity3Dのレーザーパウダーベッド融合3Dプリンターで複雑な機器部品を印刷する際、印刷時間を60％以上削減できたと述べています。
- APWorksによって3Dプリント用に特別に開発されたScalmalloyは、同社によると、最も強度が高い3Dプリント可能なアルミニウム合金です。これは航空宇宙やモータースポーツで、高強度7000シリーズのアルミニウムに代わるものとして使用されています。
- A20Xアルミニウム粉末は、現在EckarグループのAluminium Materials Technologiesによって、3Dプリント用に開発されました。同社は、この航空宇宙用途に設計された特殊合金が、従来のアルミニウムよりも著しく軽量な部品を生産できると述べています。
- Elementum 3Dは、ガス原子化アルミニウム合金の3Dプリント用粉末を提供しており、伝統的なアルミニウム合金の強化バージョンや、同社の独自の反応性付加製造（RAM）プロセスによって可能になった先進的な分散強化アルミニウム粉末が含まれます。RAMプロセスにより、以前は溶接不可能で、したがって印刷不可能だったアルミニウム合金が、金属3Dプリント用の材料として利用可能になります。
- EOS Aluminium Al2139 AMは、プリンターおよび材料メーカーのEOSが3Dプリントのために開発した独自のアルミニウム合金で、最大200ºCの高温でも性能を発揮するように設計されています。2021年に発売されたこの合金は、EOSの顧客に、製造部品の強度を損わず、重量を大幅に削減する機会を提供することを目的としています（熱処理時の引張強度は約500 MPa）。
- Aheaddは、材料会社Constelliumがレーザーパウダーベッド融合プロセス用に最適化した2種類のアルミニウム粉末です。Aheadd CP1は、純アルミニウムに近い熱伝導性と電気伝導性、高い延性、優れた表面仕上げ特性を含む多くの利点を持っています。この合金は、非常に高い印刷速度と後処理の簡易さゆえ、他の3Dプリント技術に対してもコスト効率の良い代替品です。これにより、Aheadd CP1は、急速ラピッドプロトタイピングと連続生産の両方に適した解決策となります。
- S220 AMは、スウェーデンの会社Granges Powder Metallurgyによって2022年に発売された、レーザーパウダーベッド融合用の新しいアルミニウム合金です。S220アルミニウム合金は、高いシリコン含有量、低密度、そして低熱膨張係数を提供しますが、現在は造形サービスとしてのみ利用可能です。
- Kymera’s ECKA GranulesのCustAlloyアルミニウムは、レーザーパウダーベッド融合用に設計されており、特に自動車用途において有益だと同社は述べています。これは、従来のアルミニウムと比べてすぐに割れたり、壊れたりしないため、事故や衝突関連の用途が可能になります。この特許取得済みのAl-Si-Mgベースの合金は熱処理可能で、最終用途に応じて高強度または特別な延性を提供します。
製造業用の一般的なアルミニウム素材
現在の3Dプリント用アルミニウム合金の多くは、AlSi10Mgのような単純な鋳造合金です。これらのアルミニウム合金は特に強度が高いわけではなく、高温にも耐えられません。しかし、その機械的特性は幅広い用途に適しており、材料は「溶接可能」であるため、割れることなく3Dプリントに使用できます。これらの材料の特性は、金属3Dプリントにおいて一部の企業が求める条件は満たすかもしれませんが、航空宇宙業界や先進製造業界などの企業はさらに高度な条件を求めています。
市場にはいくつかの異なるタイプのアルミニウム合金がありますが、ここで3Dプリントで使用される一般的なものをいくつか紹介します。
AlSi10Mgは最も一般的なアルミニウム合金で、十分な強度、硬度、動的特性を備えています。その軽量性は優れた熱特性を支え、複雑な形状での使用に適した強固な製造性を持っています。使用例にはハウジング、ダクトワーク、エンジン部品、生産工具などがあります。
AlSi7Mg0は、アルミニウム、シリコン、少量のマグネシウムを組み合わせて作られ、細かい物体や複雑な形状に適した耐久性が高く軽量な合金です。良好な強度/質量比や熱特性を必要とする用途に使用されます。
Al 6061およびAl 7075は3Dプリントに適していないと考えられていましたが、メーカーは印刷に成功し始めており、ナノ粒子の融合による進展が見られます。
6000シリーズの合金は、電気・電子部品の伝統的な製造で最も人気のあるものの一つとされる特性を持っています。これらは延性があり、熱伝導率、電気伝導率が高く、耐食性に優れています。6061は、マグネシウムとシリコンを含む析出硬化型アルミニウム合金です。
7000シリーズの合金粉末は高い亜鉛含有量を持ち、より高い強度のための優れた機械的特性で知られ、熱処理が可能です。7075は、航空機部品などの高応力構造部品に最も一般的に使用され、多くの標準的な構造用鋼よりも強度があります。
アルミニウム部品を注文する
金属3Dプリンターへの投資は決して小さな決断ではなく、適切な注意を払う一環として、サンプル部品の注文を行えます。メーカーから注文できますが、このリストにある多くのプリンターメーカーもオンデマンド造形サービスを提供しています。小規模なプロジェクトや一点もの、あるいはテストのために、金属3Dプリントサービスに3Dプリントを外注することで、システムの運用にかかる資本コストと間接費を大幅に節約できます。
>> ALL3DPの記事「Craftcloud 3D Printing Marketplace – Simply Explained」を読む <<
プロトタイプであれ、最終的な機能部品であれ、ユニークなスペアパーツであれ、芸術作品であれ、カスタムプリントされた部品が必要な場合でも、金属3Dプリンターを備えたサービス事業者の数が増えています。選択肢が多いため、最適な価格や配送オプションを見つけるために数週間を費やすこともあります。幸いなことに、Craftcloudのように、3Dモデルをアップロードし、複数のサプライヤーから見積もりを受け取り、最適なものを選ぶことができる3Dプリントサービスのマーケットプレイスがいくつかあります。これにより、さまざまなサービスプロバイダーからの選択肢が広がり、より効率的に最適なサプライヤーを見つけることが可能になります。
>> ALL3DPの記事「The Best Metal 3D Printing Services in 2023」を読む <<
DMM.make 3Dプリントではアルミニウムの造形を承っております！
ぜひご利用くださいませ。
