※ この記事はAll3DP.com掲載のCarolyn Schwaar氏による記事「Stainless Steel 3D Printing – The Ultimate Guide」を翻訳・転載したものです。

ステンレスの力

カトラリーや外科手術用の器具から自動車部品やタービンのブレードに至るまで、ステンレスは私たちの周りにあり、それには十分な理由があります。耐食性と耐熱性に優れ、軽量で手頃な価格の金属であるため、3Dプリントにも理想的です。

現在、3Dプリントされたステンレスは、産業部品だけでなく、デザイン、建築、芸術分野の用途にも使用されています。その理由は何でしょうか？それは、従来の製造方法に比べて、より速く、安価で、効率的だからです。

もしステンレスの予備部品、プロトタイプ、または工具を探しているなら、3Dプリンターや材料、サービスの提供範囲は幅広いです。3Dプリントのためのステンレスを使用する選択肢を見てみましょう。

なぜステンレスを3Dプリントするのか？

メーカーは100年以上も前からステンレスを打ち抜き、切断し、成形し、溶接してきました。金属3Dプリントの歴史は数十年前に遡りますが、すでに速度とコストの面で従来の方法に匹敵しています。さらに、3Dプリントは他の製造方法では不可能な複雑なデザインを可能にし、製品革新を促進しています。

ステンレスで3Dプリントする方法を見る前に、それを行っている企業の事例を通じて「その理由」をチェックしてみましょう。

ユニークな工具

Allegheny Electricの大量生産工場は、シリアル検査用の新しいエンドオブアームツールが必要なため、6軸ロボットの稼働を停止することができませんでした。しかし、そのツールは同社のニーズに特有のものであり、他の2つのエンドオブアームツール部品に取り付ける必要があるアセンブリの一部でした。初期のプロトタイプは炭素強化プラスチックで3Dプリントされましたが、その材料では耐久性が十分ではありませんでした。そこでAllegheny Electricは、プリンターメーカーのExOne（現在はDesktop Metalの一部）からの迅速で手頃な価格のバインダージェット3Dプリント技術を使って、ステンレス（17-4PH）に転換しました。しかし、同じ部品を3Dプリントする代わりに、同社は3Dプリントが提供する形状の自由を活用するために、それを再設計する機会として利用しました。同社は3Dプリント用に部品を再設計し、部品を統合することによって重量を約40％削減し、材料の廃棄を5％未満に減少させることができました。最終的な部品（下記写真）は1日未満で印刷され、コストは約150ドルでした。

特注の予備部品

有名な1952年製レースカー、#28 Cummins Diesel Specialを動かすためには、新しいウォーターポンプが必要でした。元のポンプは#28カー専用のユニークな設計で、既製の予備部品では適合しませんでした。さらに事態を複雑にしたのは、#28が数週間内にレースに出る予定だったため、交換部品に対する従来の砂型鋳造方法は、見積もり納期が10週間となり除外されたことでした。

その代わりに、Cumminsのエンジニアはリバースエンジニアリングと金属3Dプリントに頼りました。3D Systemsのレーザーパウダーベッド融合3Dプリンターを使用して、新しいウォーターポンプ（下記写真）は316-Lステンレスでわずか3日間で3Dプリントされ、全プロセスは5週間で完了しました。これは予定の10週間よりも短縮された期間です。ポンプのハウジングは他の部品にも完璧に合致し、6レースにわたって新品同様のパフォーマンスを提供しました。

最近では、アメリカ海軍もUSS Bataan艦上の工具室にMeltio 3Dプリンターを設置することで、ステンレス3Dプリントを利用しました。Meltioはレーザーで金属ワイヤーを溶かし、層ごとに積層し、その後内蔵のCNCミルで部品を最終公差まで削ります。このシステムは、優れた耐食性を持つ一般的な艦船材料である316Lステンレスを使用し、装備の修理部品を印刷します。制作できるものには、製造中止となったコンポーネントも含まれます。これにより、埠頭に戻ることなくシステムの修理が可能になりました。

建設・建築

オランダの企業MX3Dは、ワイヤアーク方式（WAAM）3Dプリント技術を使用して、アムステルダム中心部にある最も古く、最も有名な運河の一つを渡る完全に機能するステンレス製橋を3Dプリントしました。この革新的なアプローチにより、同社は金属から強度が高く、複雑で優雅なステンレス構造を3Dプリントすることができました。橋はそのユニークな美しさだけでなく、その構造の内部には、橋の交通量や負荷をリアルタイムで測定するセンサーが収められています。

建複雑な産業部品のプロトタイプ

ポンプの重要な部品であるインペラーは、ポンプの圧力を制御し、それぞれの特定のアプリケーションに合わせて設計されなければなりません。インペラーには幾何学的に複雑な羽根が必要で、ポンプを通して移動する液体に特化して設計されています。これらのカスタマイズされた羽根は高価で製造が難しく、高価な資本設備と熟練した労働者のリソースが必要です。

316Lステンレスの部品を社内でプリントできる能力を持つことで、設計チームは最終製品に必要な同じ金属材料を使用して、迅速に機能的なプロトタイプを作成しテストすることができるようになりました。Desktop Metal Studio Systemでプリントされた下記のステンレスインペラーの印刷コストは、部品あたり約70ドルです。これはCNC加工プロトタイプよりもはるかに少なく、プロトタイプの複数のイテレーションが必要な場合には、大幅なコスト削減となります。

医療用具の機能的プロトタイプ

Markforgedの17-4 PHステンレスを使用して、Shukla Medicalは多くの最終製品と同じ材料でプロトタイプを3Dプリントし、CNCマシンを置き換えました。彼らは現在、初期プロトタイプにはMarkforgedのカーボンファイバー3Dプリンターを使用し、その後、外科医に評価される最終プロトタイプにはMarkforged Metal Xシステムを使用しています。「外科医は実際の切開でそれを使用することを想像でき、手に持った感じが正しいかどうかを私たちに伝えられます」と、同社の製品開発マネージャーであるZack Sweitzer氏は語ります。「より効率的にプロトタイプを作成し、市場に製品をより迅速に提供することができるため、私たちは業界の最前線に留まることができるのです」。

ステンレスを3Dプリントする方法

ステンレスを3Dプリントする方法は一つではありません。各方法は価格、速度、品質、および量の面でそれぞれ長所と短所があります。

一部のステンレス用3Dプリンターはデスク上に収まりますが、他のものは部屋いっぱいを占めることがあります。同様に、出来上がる金属部品の機械的特性には幅広いバリエーションがありますから、プロジェクトに最適な方法を見つけるためには、異なる方法について少し知っておく必要があります。

例えば、工場の生産用ノズルの交換が必要な場合、デスクトップのFDMプリンターが最も迅速かつ安価なオプションかもしれません。しかし、ステンレス部品が一定の圧力や力に耐える必要がある場合は、レーザーパウダーベッド融合やバインダージェットを選ぶことをお勧めします。非常に大きなステンレス部品、例えば船のプロペラが必要な場合は、ワイヤアーク方式（WAAM）を検討することになるでしょう。

ステンレスの3Dプリントオプションを評価する際には、最終部品の密度（90%ー99%）、多孔性（用途によっては欠点または利点となる可能性があります）、そして必要な機械的特性のセット、例えば引張強度などを考慮に入れてください。

ステンレスの3Dプリントには、以下の3Dプリント技術が選択肢としてあります：

• 材料押出（FDM, Fused deposition modeling）
• バインダージェッティング（Binder Jetting）
• レーザー粉末焼結 （LPBF / Laser powder bed fusion, もしくは SLM / Selective Laser Melting )
• コールドスプレー（Cold Spray）
• ワイヤアーク方式（WAAM, Wire Arc Additive Manufacturing）
• マイクロ3Dプリント（Micro 3D Printing）

デスクトップ用金属フィラメント

最も経済的な方法は、デスクトップ3Dプリンターとステンレスフィラメントを使用するものです。このフィラメントは、高い割合のステンレス粉末が注入されたポリマー材料です。BASF Forward AMなどの企業から入手可能なこのタイプのフィラメントは、幅広いリーズナブルなデスクトップFDM 3Dプリンターで印刷することができます。

通常、小さな交換部品やプロトタイプであるこれらの部品は3Dプリントされた後、ポリマーバインダーを除去する必要があります。その後、より密度の高い部品を生産するためには焼結ステップも必要です。このプロセス、材料、プリンターについては、以下のガイドで詳しく説明されています。

>> ALL3DPの記事「Metal Filament 3D Printing – The Ultimate Guide」を読む <<

金属押出3Dプリントのもう一つのタイプは、バウンドメタルデポジション（BMD）と呼ばれます。BMDを搭載した3Dプリンターには、MarkforgedのMetal XやDesktop MetalのStudio Systemがあります。彼らはフィラメントの代わりとなる素材を「バウンドメタルロッド」と呼んでいます。これらのロッドの正確な構成は企業秘密ですが、フィラメントと同様に、金属粉末がワックスまたはポリマーバインダーに含まれています。

バインダージェッティング

ステンレス部品を3Dプリントする最速の方法は、バインダージェッティングとして知られる技術でステンレス粉末の層を結合剤で結び付けることです。ステンレス粉末がビルドエリアに敷き詰められ、プリントヘッドがボックス上を移動し、選択的にバインダー溶液を噴霧します。3Dモデルは、完成するまで層ごとに構築され、その後バインダーを強化するためにオーブンで乾燥されます。全体として、金属バインダージェット部品の材料特性は、金属部品の大量生産に最も広く使用されている製造方法の一つである射出成形で製造された金属部品と同等です。さらに、バインダージェット部品は特に内部構造において高い表面滑らかさを示します。

>> ALL3DPの記事「Binder Jetting 3D Printing – The Ultimate Guide」を読む <<

ステンレスの金属バインダージェット部品は、良好な機械的特性を達成するために印刷後に二次加工を必要とします。その速さゆえ、バインダージェッティングは主に、下記写真にあるCobraゴルフクラブのような大量生産の消費者製品に選ばれます。

レーザー粉末焼結

金属3Dプリントにおいて最も広く使用されている方法は、レーザーパウダーベッド融合（LPBF）であり、選択的レーザー溶融（SLM）や単に金属焼結とも呼ばれます。LPBF 3Dプリンターは高出力のレーザーを使用して金属粉末を選択的に溶解します。溶けた部分は分子レベルで層ごとに融合し、均一なモデルが完成します。プリントベッド上に詰め込まれた粉末は、印刷プロセス中にモデルを支えるので、サポートはほとんど必要ありません。

LPBF 3Dプリンターを検討する際、アプリケーションに応じて、レーザーの出力レベル、レーザービームの直径、走査速度、可能な層の厚さ（20から120μm）、走査の方式、部品冷却の方式、および異なるブランドや同一ブランド内の異なるモデルを区別するその他の特徴を考慮しましょう。最終的に溶融した部品の表面は粗く、要件に応じて、滑らかで光沢のある結果を得るために後処理が必要になる場合があります。以下にリンクされたLPBFのガイドをチェックしてください。

>> ALL3DPの記事「Selective Laser Melting (SLM 3D Printing) – The Ultimate Guide」を読む <<

ワイヤアーク方式

建築要素や海事業界、石油・ガス業界の部品など、大きな部品に好まれる方法はWAAM（ワイヤーアーク方式）です。この方法では、従来の鍛造、鋳造、または機械加工の一部の時間とコストのごく一部で、大きな金属部品を製造することができます。

ワイヤーアーク方式は、材料として金属ワイヤーを使用し、エネルギー源として電気アークを使用します。これは溶接に非常に似ています。アークは、多軸ターンテーブルなどの表面にロボットアームによって層を重ねて預けられる際に、ワイヤーを溶解します。溶接と同様に、不活性ガスが使用され、酸化を防ぎ、金属の特性を改善または制御します。

このプロセスは、徐々に材料を完全な3Dオブジェクトに構築するか、既存のオブジェクトの修復を行います。取り除くべきサポート構造はありません。また、必要に応じて完成した部品はCNC機械加工で緊密な公差に加工されたり、表面を研磨されたりすることがあります。通常、印刷された部品は、残留応力を取り除くために熱処理を受けます。

>> ALL3DPの記事「WAAM! What Is Wire Arc Additive Manufacturing?」を読む <<

ステンレス用3Dプリンター

ステンレス部品用の3Dプリンターを購入する場合、価格や用途に応じて絞り込める幅広い選択肢があります。実際、ほとんどの金属3Dプリンターは、非常に人気のある材料であるステンレスで印刷することができます。

3Dプリンターメーカーは通常、評価のために部品サンプルを送ってくれますし、アプリケーションに技術が適しているかをさらに評価するため、多様なオンデマンドサービスから3Dプリントされたステンレス部品を注文することもできます。

デスクトップFDM式3Dプリンター

前述のように、デスクトップ3Dプリンターの数は増え続けており、ノズルがステンレスフィラメントの3Dプリントに対応するほど高温になるものが増えています。しかし、熱だけが検討すべき唯一の特徴ではありません。プリンターメーカーのUltiMakerやMarkforgedは、金属3Dプリント用の特別なサポートを提供しており、これにより後処理の時間が大幅に短縮されます。FDM方式はデバインディング（バインダー除去）ステップと焼結ステップも必要とするため、印刷された部品をデバインドと焼結するための追加の機器またはサービスが必要になることがあり、これはコストを増加させる可能性があります。

ステンレス対応の3Dプリンターを購入するなら

機能的なプロトタイプや最終用途の産業用ステンレス部品には、考慮すべき3Dプリンターの幅広い範囲があります。市場にあるトップの金属3Dプリンターに関するAll3DPのガイドを見てください。このガイドは定期的に更新されています。

>> ALL3DPの記事「The Best Metal 3D Printers in 2024」を読む <<

トップの金属3Dプリンターメーカーの中で、以下のメーカーはステンレスを含む多様な材料で印刷できます：

• 316L ステンレス
• 17-4 PH ステンレス
• 420 ステンレス
• HH ステンレス
• その他カスタムステンレス素材

ステンレスを扱う3Dプリントサービス

技術の進歩、新しい金属材料、金属3Dプリンターの価格低下により、金属3Dプリントへの需要が急増しています。しかし、多くのエンジニアや産業デザイナーにとって、自社で金属3Dプリンターを導入することはまだ実現していません。幸いなことに、金属3Dプリンターを持つ製造業者が増えており、プロトタイプであれ最終的な機能部品であれ、ユニークな予備部品であれ、芸術作品であれ、注文に応じた部品のカスタムプリントを提供しています。しかし、どのようにして正しい業者を選ぶのでしょうか？

All3DPのCraftcloudは、金属3Dプリントサービスだけでなく、異なるサービスプロバイダーの価格とサービスを比較し、適切な価格で適切なカスタム製造業者を見つけることができる3Dプリントサービスのマーケットプレイスです。

世界中のパートナーとともに、Craftcloudは追加料金なしで価格と納期の点で最適なサービスを提供します。部品デザインファイルをアップロードし、316L、420、または17-4 PHステンレスを選択し、次に好みの技術を選択します：FDM、SLM、バインダージェット。最後に、仕上げを選択します：磨き、サンドブラスト、またはその他のオプション。

見積もりは、アップロードされたモデルと位置に基づいてリアルタイムで生成されます。他の3Dプリントサービスと同様に使いやすいプラットフォームですが、利用可能なオプションがはるかに多くあります。

Craftcloudの他の役立つ機能には、専門家ネットワークとサポートスタッフがあります。印刷に適していない部品がある場合や、デザインがまだない場合でも、専門家やプロのパートナーがデザインの実現を支援します。また、注文や配送のプロセスに問題がある場合は、Craftcloudチームが支援を提供します。

3Dプリントサービスプロバイダ

ステンレスを提供するトップの金属オンデマンド3Dプリントサービスの詳細については、以下の更新されたガイドをチェックしてください。

>> ALL3DPの記事「Metal 3D Printing Service: The Best Providers in 2024」を読む <<

プリントサービスプロバイダ

多くの種類のステンレスが存在し、それぞれの種類内には無限のバリエーションがあります。3Dプリントで最も使用されるステンレスの主な種類は次のとおりです：

・316Lステンレス：その耐食性と機械的特性から3Dプリントにおける最も人気のある選択肢です。航空宇宙、医療、自動車などさまざまな産業で広く使用されています。
・17-4 PHステンレス：この析出硬化ステンレスは優れた強度、硬度、耐食性を提供し、機能部品や産業用途に適しています。
・420ステンレス：このステンレスグレードは、ツールや金型など高硬度と耐摩耗性が必要なアプリケーションによく使用されます。
・2205デュプレックスステンレス：デュプレックスステンレスは機械的特性と耐食性の良い組み合わせを持ち、特定の厳しい環境に適しています。

どんなステンレスでも3Dプリントと互換性があるわけではなく、ほとんどのプリンターメーカーは自社の機械で使用するための特定の金属材料ベンダーを認定しています。最近の研究では、17-4 PHステンレスの組成を調整することで、3Dプリント時により一貫した結果を得ることができるようになりました。研究者のFan Zhang氏は「組成の制御こそが3Dプリント合金の鍵です。組成を制御することで、その凝固方法を制御できます。また、1000から10百万摂氏度/秒の幅広い冷却速度で、当社の組成は一貫して完全なマルテンサイトの17-4 PH鋼を生成することを示しました」と述べています。

>> ALL3DPの記事「Metal Powder for Metal 3D Printing – Buyer’s Guide」を読む <<