金属積層造形は 10 年間でどのように変化したか

ここでは 3D 金属プリンターが鋼製部品を製造します。 材料メーカーは、新しい金属添加材料の開発にさらに投資しています。 （ゲッティイメージズ）

現在、積層造形が注目を集めているため、材料メーカーは新しい金属積層材料の開発にさらに投資しています。 これは、そのようなベンチャーを正当化できるほど市場が大きくなく、技術も進歩していなかった10年前、さらにはわずか5年前と比べて大きな変化だ。 過去 10 年間で金属添加剤はどこまで進歩しましたか?また、急速に成長する技術の将来は何でしょうか?

アディティブ レポートでは、金属添加剤分野の 4 人の専門家に意見を求めました。

HP Inc. の 3D フュージョン サイエンス、3D プリンティング部門のグローバル責任者である Cheryl MacLeod 氏は次のように述べています。 HP が 2015 年に AM に参入したとき、シリコンバレーのコンピューター大手は、金属材料の開発に新しいアプローチを採用したいと考えていました。 HP は当時、プロトタイプ デバイス市場が不足していることに気づき、英国の航空宇宙および自動車部品会社 GKN と提携して Metal Jet の製造サービスを開始しました。 これをもとに、HP は現在、フォルクスワーゲン、GKN、Wilo、パルマテックなどの自動車、産業、医療の顧客向けにカスタムメイドのステンレス鋼粉末を製造しています。 HP は、Metal Jet と Multi Jet Fusion の両方のオープン マテリアル プラットフォームを通じて新しい材料の開発を続けています。

Sandvik Osprey Ltd.のビジネス開発マネージャー、キース・マレー氏は次のように述べています。 Osprey CE は、サンドビックとほぼ 20 年にわたり、膨張制御合金および金属粉末を開発してきました。 この材料プログラムは、南ウェールズのスウォンジーから 16 マイル以内に拠点を置き、鉄基合金 (ステンレス鋼およびマレージング鋼)、ニッケル合金、銅合金、コバルト合金などのあらゆる種類の材料を提供しているほか、継続的な開発も行っています。アルミニウムとチタン。 サンドビックは、プロトタイプ開発のための少量金属粉末の供給から大規模生産のための大量バッチまでの機能を備えた独自のガスアトマイズ技術を開発しました。

Elementum 3D の社長兼創設者である Jacob Nuechterlein 氏は次のように述べています。 AM の材料、パラメータ、および研究開発会社は、新しい金属合金と複合材料の生産の最前線に立っています。 Nuechterlein 氏は冶金学の経歴を持ち、合金ポートフォリオを拡大するために 2014 年にコロラド州エリーに本拠を置く会社を設立しました。 4 年前、市場に出回っている市販の合金は 60 種類以上あったのに対し、アルミニウム材料は 12 種類しかありませんでした。 Elementum 3D は、レーザーパウダーベッドに重点を置き、アルミニウム合金、タングステンやタンタルなどの耐火材料、鋼鉄やニッケルベースの合金、銅などの多数の「ウルトラマテリアル」を開発してきました。

Praxair Surface Technologies の積層造形ビジネス マネージャー、Andy Shives 氏は次のように述べています。産業用ガス製造会社である Praxair Inc. は、50 年以上にわたって溶射コーティング市場を通じて金属粉末を製造してきました。 したがって、同社の AM 部門である Praxair Surface Technologies (PST) が、過去 10 年間で添加金属の世界最大のメーカーの 1 つになったのは当然のことです。 PST は現在、300,000 平方フィートの工場を運営しています。 インディアナポリスにある金属粉末とセラミック粉末の生産を専門とする施設。 PST は、航空宇宙、エネルギー、産業などのほぼすべての関連市場向けにニッケル、コバルト、鉄、チタン、銅ベースの合金を噴霧化するだけでなく、自動車や医療分野にもその範囲を拡大しています。

添加剤レポート:AM 材料の開発ペースは 5 ～ 10 年前と比べてどうですか?

シブス:現在の大手企業の多くは、10年前には金属添加剤はおろか添加剤にも関わっていませんでした。 しかし、今日でもまだ初期段階です。 実稼働中のアプリケーションやパーツの数はまだ非常に少ないです。 現在、特に過去 5 年間で、どの合金が印刷可能か、また特定のプロセスではどの合金をさらに検討する必要があるかについての知識が劇的に増加しました。 たとえば、ある合金はレーザー粉末床プロセスにはうまく機能するかもしれませんが、電子ビーム プロセスにはうまく機能しません。 そして現在、顧客は特定の用途にどの合金が最適であるかを真剣に研究しています。 そして、過去 2 ～ 3 年でその割合が大幅に増加していることがわかりました。

マレー:もし私たちが 2007 年にこの会話をしていて、テクノロジーがどこまで進んでいるのかを私に尋ねられたとしたら、テクノロジーがどこまで進んでいるのかを実際に予測するのは誰にも難しいと思うでしょう。 当時を振り返ると、おそらく世界中に 100 台のマシンが設置されていました。 それは非常にニッチなアプリケーションとテクノロジーでした。 当初は、それは当社のビジネスを補完する興味深い部分に過ぎませんでしたが、明らかに、それは長年にわたってかなり変化しました。 業界の規模、イノベーションのレベル、関心のレベル、材料に対する需要のレベルは、10 年前とは比べものになりません。

夜行性:特に、その一部は、材料開発や印刷全般に利用できるコンピューティング能力とツールに関係しています。 機器の柔軟性が大幅に向上したため、機器がどのように機能するのか、そしてどのように改善できるのかを詳しく知ることができるようになりました。 噴霧の世界に携わる人々は現在、AM 用の材料を噴霧する方法を理解しており、それに市場があることを認識しています。 以前は、品質にばらつきがたくさんありました。 より安定した製品を入手できるように、人々はさまざまな商売のコツを学んできました。 さまざまな材料を調達できる場所がさらに増えました。 競争がより良い製品を生み出すと私は思います。

金属粉末が 3D プリンティング レーザー焼結機のチャンバーに注入されます。 （ゲッティイメージズ）

AR:メーカーは実際の製造オプションとして 3D プリンティングをより積極的に採用していますか?

マクラウド:メーカーが真の生産オプションとして 3D プリンティングを採用することは確実であり、今後、材料開発は爆発的に成長すると信じています。 より多くの材料パートナーが AM 粉末を作成する能力の開発に興味を持っており、技術が生産により適したものになるにつれて、より広範囲の高性能材料への投資に積極的な企業が増えています。 私たちはまさに、このテクノロジーがプロトタイピングや少量生産を超えて本格的な生産へと実際に移行できる成熟レベルにようやく達し始めている転換点にいます。 問題は、3D プリンティングが世界的な大量生産の新しいプラットフォームになるかどうかではなく、いつになるかです。

夜行性:ただ、今と会社を始めた頃の会話は全然違います。 4 年前でも、私は AM とは何かを人々に教えていました。 そして今では、AM の使い方を人々に教えることが話題になっています。 そしてそれらはまったく異なる会話です。

シブス: 5 年前、多くの企業はまだ、1 台のマシンを導入するべきか、それとも数台のマシンを導入するべきかを検討していました。あるいは、マシンを所有する外部の請負業者と協力することもできました。 現在、これらの企業の多くは社内に少なくとも 1 台の金属印刷機を持ち、独自の研究を行っています。 つまり、彼らはその初期投資を行ったのです。 それは十分に重要です。

AR:現在、添加剤の開発に影響を与えているものは何ですか?

マレー:まだまだかなり多様な分野です。 自社の製造プロセス内で付加的な取り組みを進めている企業には、さまざまな影響力を持つ人がいます。 彼らは、プロセスの再現性だけでなく、材料の特性の再現性を高めるために、材料と一貫性を洗練するための開発を推進する本格的な生産ツールとして、それをまだ使用していないにしても、使用に近づいています。 したがって、実際には、工業ベースで安定したプロセスを提供するために、細部を理解し、仕様を改良することが重要です。

マクラウド:現在、最も大​​きな影響を及ぼしているのは、メーカーが試作から生産に移行していることです。 これは材料に大きな影響を与え、プロトタイピングに適した材料から生産に適した材料へと移行します。 特に金属の場合、すべては生産に関するものです。 私たちは、業界リーダーのオープンなエコシステムが、より大きなイノベーション、画期的な経済性、3D プリント材料とアプリケーションのより迅速な開発にとって重要であることを認識しています。 垂直市場や連続生産を目にする場所を見ると、ほとんどの市場には特定の一連の規制、文書、プロセスがあり、それらの垂直市場では標準として確立されています。

シブス:多くの顧客が使用し始めた合金の多くは、鋳造や鍛造など、さまざまな市場の仕様から抽出されたものです。 これらは加算プロセス用に書かれたものではありません。 そして現在私たちが目にしているのは、顧客が加算マシン、さまざまなテクノロジー、カスタム パラメーター セットの作成にさらに詳しくなっているということです。 そして現在、AMの仕様を設計中です。 その結果、合金の化学的性質と粒度分布が微調整されました。 ここでカスタム合金が登場しますが、これはよく知られている標準合金からの逸脱である可能性があります。 あるいは、添加剤用に実際に設計および製造されたまったく新しい合金である可能性もあります。

AR:材料開発をさらに推進する上での障害は何でしょうか?

マクラウド: 3D プリンティングは 30 年以上前から存在しているため、この分野であらゆる革新があったにもかかわらず、多くのエンジニアは依然としてテクノロジーや材料が最初に導入されたときのサイロにあると考えています。 たとえば、私たちは材料の観点から粉末床 AM プロセスに何が必要かをまだ学習しており、各プロセスの実際のプロファイルにコア材料をより適切に適合させる方法を模索しています。 射出成形はそれを解明するのに 1 世紀かかりました。

材料メーカーは、新しい金属添加材料の開発にさらに投資しています。 （ゲッティイメージズ）

夜行性:具体的には、材料開発における障害となるのは能力と成果です。 ある区画は次の区画も同じである、そして、素晴らしい物件を手に入れたら、その物件を計画上で安心して位置づけることができると言えるようにしたいと考えています。 顧客は大量のデータを望んでいます。 リリースする素材ごとに、顧客が大量に購入する前に、顧客が快適に過ごせるように大量のデータを生成する必要があります。 ところどころに、一回限りの柔軟性とリスク許容度があります。 しかし、製造全体を行うことについて話していて、20、30 台のプリンターを購入することになる場合は、その部品がどのように機能するかを十分に把握したいと考えます。

マレー:標準化は非常に大きなテーマです。 米国には米国材料試験協会 (ASTM) F42 グループ、より欧州に拠点を置く ISO/TC 261 委員会など、さまざまな委員会があります。 しかし、コラボレーションも検討中だ。 当社の材料会社は、材料加工において 150 年以上の伝統を持っています。 私たちは材料面について多くの固有の知識を持っており、おそらく機械を製造する一部のテクノロジー企業よりも知識が豊富です。 つまり、ソリューション全体を提供するために、相対的な強みである材料とプロセスを活用してコラボレーションをまとめたのです。 テクノロジーの普及は非常に急速に進んでいます。 追いついてすべての拠点をカバーしようとするのは、非常に困難な場合があります。

AR:機械開発者と OEM との関係は、添加剤材料開発の限界を押し上げる上で依然として重要な役割を果たしていますか?

シブス:一部の機器 OEM は、特定の最終顧客と緊密に連携して検証を行っています。 独自のパラメータ セットを行う多くの OEM が独自に多くの検証を行っていることがわかります。 これは非常に機密かつ専有的なものであるため、機器会社や他のサプライヤーに、どのようなアプリケーションや設計に取り組んでいるのかを正確に知られたくないのです。

マクラウド:私たちは、誰もが私たちのプラットフォームに来て簡単に革新できるように、オープン マテリアル プラットフォームを金属の奥深くまで拡張するというビジョンを持っています。 進歩は、認定材料パートナーとの協力によってもたらされます。 科学が十分に理解され、事実上誰でも使用できる一連の予測モデリングとソフトウェア ツールに還元された場合、加算には意味があるかもしれません。 その時点では、OEM と材料会社の間の深い関係はそれほど重要ではなくなりますが、添加剤に関してはまだそのような関係は存在していません。

夜行性:それを超えてさらに広がっています。 自分のパートをどのように作成するか、またそのパートをなぜ再度作成するのかについては、現在さまざまなオプションがあります。 確かに、機械メーカーは業界の大部分を牽引していますが、そのすべてを牽引しているわけではありません。 現在、解決が必要な個々のアプリケーションで問題が発生し始めています。 そして、AM は、特に小規模の製造会社にとって、これに最適です。 当社のビジネスの 4 分の 1 は、機能するプロトタイプを使用して個々の部品を製造する方法を模索している中小企業との取引だと思います。

午前：近い将来の添加剤材料の開発に影響を与えると思われる最大の事柄の 1 つは何ですか?

シブス:大きな変化の 1 つは、添加剤の設計かもしれません。 業界の次世代エンジニアは、新しい部品を設計するために異なるトレーニングを受けています。 ここ数年、その点に大きな注目が集まっています。 その初期段階が大規模な OEM から出てきているのが見え始めています。 したがって、添加剤用途向けのこれらの新しい設計が市場で確認され、検証されると、生産がさらに増加し​​始めるでしょう。

マレー:次に大きなことがあるのか​​どうかはわかりませんが、パフォーマンスとコスト効率の向上の組み合わせです。 既存の材料の一部を置き換えるために、固有の金属コストが低い材料を開発できますか? しかし、それは材料の限界に挑戦することです。 鉄ベースの材料では、工具用途などの耐久性とパフォーマンスを向上させることが重要です。 また、高温ニッケル基超合金では、次世代の材料を検討し、プロセスに合わせて最適化しようとしています。

夜行性:さまざまな鋼材が大量に流入し、鋼材を印刷できるようになると思います。 今日のスチールは印刷が非常に困難です。 理由はいくつかありますが、これらの異なる材料を適切に溶接する方法を理解することが重要です。 また、単に溶接するだけでなく、亀裂やその他の問題を防ぐために、非常に高い冷却速度で溶接します。 自動車、工具、石油・ガスなどの業界では、アルミニウム、チタン、ニッケルベースの超合金はあまり使用されていません。 彼らには高性能鋼が必要です。 これらのプリンタの多くは、材料がどのように形成されるかについて必ずしも深い知識を持っていない機械エンジニアや機械工によって使用されています。 冶金学、熱処理、製品形成、印刷時のさまざまな段階の形成に関連した知識が必要です。