製品開発への活用が見えてきた？Additive Manufacturing の最新動向

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まれあおえづか
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1 vol 技術動向レポート製品開発への活用が見えてきた? Additive Manufacturing の最新動向サイエンスソリューション部シニアコンサルタント岩崎拓也 Additive Manufacturing( 付加製造 ) の最新動向を調査するため米国テキサス大学オースティン校にて2014 年 8 月 4 日から6 日の間で開催されたThe 25th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium( 学会 ) 及び独国フランクフルトで2014 年 11 月 25 日から28 日に開催されたEuromold 2014( 展示会 ) に参加してきた以下ではこれらの概要と著者が興味をもったものをいくつか紹介するはじめに ~ Additive Manufacturing とは~ Additive Manufacturing という言葉はご存知だろうか日本語に訳すると付加製造略して単に AM と呼ばれることも多い日本では 3Dプリンティングやそれを実現する装置 3Dプリンタと言った方がわかりやすいかもしれない一般に 3Dプリンタは樹脂系の材料による積層造形を可能とする比較的低価格の装置を指す際に使われることが多く高精度な樹脂積層造形が可能な装置や金属材料の積層造形が可能な装置などハイエンドな産業向け装置まで含めた場合に付加製造装置 (AM 装置 ) と呼ばれている過去には類する言葉として Rapid Prototyping や Rapid Manufacturing Additive Fabrication などが使われていたが 2009 年にThe American Society for Testing and Materials( 略称 ASTM) のInternational Committee F42において Additive Manufacturing という用語が正式に定義されたそこでは材料を3 次元に造形する技術を7つに分類している図表 1 に7つの方式の概要代表的な材料及び装置メーカーを示すコンシューマー向けで最も普及しているのは材料押出 (Material Extrusion) であり家電量販店で販売されている 3D プリンタはこの方式を採用している Stratasys 社の創業者 S. Scott Crump が発明した FDM(Fused Deposition Modeling 熱溶解積層法) の名称が使われることも多いため FDM の方が馴染みのある言葉かもしれない (1) 一方学会や展示会に出席して感じたことは産業応用に向けた研究開発や装置開発が急速に進んでいるということである以下では特に産業応用に注目し学会展示会で見た最新の動向を述べる 1. The 25th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium (1) 学会の概要 Solid Freeform Fabrication Symposium ( 略称 SFF シンポジウム ) はAdditive Manufacturingに関する代表的な国際会議の 1つであり今回は25 周年を祝して2014 年 8 月 4 日から6 日の日程で米国テキサス大学オースティン校において開催された 1

2 製品開発への活用が見えてきた? Additive Manufacturing の最新動向図表 1 Additive Manufacturing の 7 つの方式及びその概要 ( 資料 )Wohlers Report 2014 各社資料等をもとにみずほ情報総研作成 2

主催者の発表 (2) によると本シンポジウムには310 名が出席し 17カ国 ( 著者の国籍 ) から 176 件の口頭発表及び25 件のポスター発表が行われたとのことである近年の3D プリンタへの注目の高まりからか前年と比べて出席者は50% 増発表者は70% 増と大幅に増加していたようである今回のシンポジウムは 25 周年記念ということもありこれまでの Additive

3Dプリンティングに注目したきっかけや最初の装置開発までの苦労現在に至るまでの紆余曲折と成功など Additive Manufacturing のこれまでの背景がよくわかり大変興味深いものであったこのあたりの内容については筆者がコラムを書いているのでそちらを参照頂きたい (3) (2) 講演内容の内訳からみる Additive Manufacturingの動向図表

3 主催者の発表 (2) によると本シンポジウムには310 名が出席し 17カ国 ( 著者の国籍 ) から 176 件の口頭発表及び25 件のポスター発表が行われたとのことである近年の3D プリンタへの注目の高まりからか前年と比べて出席者は50% 増発表者は70% 増と大幅に増加していたようである今回のシンポジウムは 25 周年記念ということもありこれまでの Additive Manufacturing の発展の歴史や今後の展望などについての記念講演が初日及び2 日目の午前に特別セッションとして実施された講演を行ったのは Wohlers Reportで有名なTerry Wohlers 氏や 3D Systems 社の創業者 Chuck Hull 氏 Stratasys 社の共同創業者であるLisa Crump 女史など早々たる顔ぶれであった 3Dプリンティングに注目したきっかけや最初の装置開発までの苦労現在に至るまでの紆余曲折と成功など Additive Manufacturing のこれまでの背景がよくわかり大変興味深いものであったこのあたりの内容については筆者がコラムを書いているのでそちらを参照頂きたい (3) (2) 講演内容の内訳からみる Additive Manufacturingの動向図表 2に学会のセッションごとの講演数を示すシンポジウムのセッションは前年と同じくプロセス開発 (Process Development) アプリケーション(Applications) 材料 (Materials) モデリング(Modeling) の 4 つであった前年は4つのセッションともに同数程度の講演がなされていたが今回のシンポジウムではプロセス開発及びアプリケーションの講演数が他のセッションと比較して約 2 倍と前年と大きく変わっていたこのことは各国研究者の研究対象がより高品質高精度な造形を行うためのプロセス最適化や Additive Manufacturing の応用技術の高度化応用分野の探索などにシフトしていることを表しているのではないかと思われる同様の傾向はセッションの細分類項目にも見られる前年の材料の細分類は金属ポリマーセラミックスであったものが今年はより具体的な軽量材料とニッケル及びスチールそれ以外のポリマー及びセラミックスとな図表 2 セッションごとの講演内容内訳 (4) ( 資料 ) 学会予稿集をもとにみずほ情報総研作成 3

4 製品開発への活用が見えてきた? Additive Manufacturing の最新動向りやはり応用を意識した分類になっているといえる軽量材料についてはアルミニウム合金やチタン合金に関する講演が多く航空宇宙産業や自動車産業医療機器産業などをターゲットとした材料開発が進んでいる印象を受けたアプリケーションに関しては従来の加工法では製造が難しいあるいは不可能な形状をAdditive Manufacturing により可能とする応用例や軽量材料を用いた三次元積層造形技術設計段階での構造最適化トポロジー最適化による軽量かつ高強度部品の実現例など多数の講演があったまた今年はバイオメディカルセッションの講演が最も多かった点が特徴的であり歯冠補綴物 ( クラウン ) や足場材 (scaffold) 臓器モデルインプラントなどの研究開発状況など多数の講演があった特に医療応用を考えた場合 Additive Manufacturingにより患者の疾患部位にあった形状の医療機器 ( 例えば人工骨や人工関節等 ) を造形できテーラーメイド医療の実現に繋がる CT スキャン等でとった患者の臓器データをもとに三次元造形することにより術前のシミュレーションが出来るなど様々な応用が考えられており今後の実用化やさらなる普及が期待されているモデリングのセッションでは製造プロセスの最適化や品質評価手法従来の数値制御技術 ( いわゆるNumerical Control NC) との連携技術などに関する講演がまとめられたシステムエンジニアリングセッションがあったほか熱の影響 (Thermal Effects) というセッションにおいては様々な造形手法について樹脂や金属の熱応力や溶融現象などのシミュレーション技術が紹介されていた三次元形状の造形だけではなく造形時の物理現象の解明や高品質の造形物を得るための最適なプロセス設計技術後処理後加工との組み合わせによる製品開発へと繋げるための技術などやはり産業応用に向けた取り組みが各国で進められていると感じた以上講演内容の内訳からAdditive Manufacturingの動向を概観した (5) 本シンポジウムはアカデミアを中心とした学術的な研究発表が主であるがそれでも産業応用製品開発に繋がる研究発表が多かったように感じた一方でアプリケーションのセッションもあったが航空宇宙産業や自動車金型医療機器などすでに応用が進められている分野に関する発表も多く新たなアプリケーションの探索に苦労している現状も垣間見えた以下本シンポジウムで興味深かった米国 GE 社による講演を紹介する (3)W.T.Carter (GE Global Research Center)et al The GE Aircraft Engine Bracket Challenge: An Experiment in Crowd-sourcing for Mechanical Design Concepts GE Aviation 社が航空機のエンジンブラケット ( エンジンカバーを支える部品 ) の軽量化を実現するためにクラウドソーシング (6) を活用して実施した設計コンテスト (7) の紹介があった GE 社はコンテストを実施するに際し 100 万人のエンジニアが集まるコミュニティ GrabCAD (8) を利用し初期形状データ (CAD データ ) と設計条件を同コミュニティにアナウンスした (2013 年 6 月 ) 設計条件としては最適化する形状は初期形状の外形以内に納めること材料はTi-6Al-4V とすること壁の厚さとして0.050インチは確保することなどの条件のほか境界条件も提示された 2013 年 11 月に応募は締め切られ世界中から700 人のエンジニアが最適形状を提出したとのことである GE 社において審査した結果 80% もの軽量化を実現しつつブラケットの強度も確保し 4

5 た8 人のエンジニアがコンテスト入賞を果たしている 1 位はインドネシアのエンジニアでありその他の受賞者の国籍はスウェーデンイギリスオーストラリアルーマニアハンガリーイタリアポーランドであるなお受賞者の設計データをもとに実際に部品を作成し強度試験等を実施して設計の有効性確認まで行ったそうである講演を拝聴して感じたことは GE 社のような大企業が自社の設計データをクラウドに公開し世界中のエンジニアに設計で競わせより良い設計を見つけていくというのはまさにオープンイノベーションと言えるということである特に軽量化設計を行った場合従来の加工方法では実現できない形状が最適解として得られる場合もあるが Additive Manufacturing 技術により加工が実現可能となる場合も多い航空機部品のように大量生産が必要でないものに関してはAdditive Manufacturingは最も適しておりクラウドソーシングを活用した迅速設計とAdditive Manufacturingを用いた試作製品開発がうまく連携することにより世界中のエンジニアを巻き込んだ新たな設計技術が生まれてくるのかもしれない 2. Euromold 2014 (1) 展示会の概要 Euromold (9) は金型や工具などの製品開発加工装置などに関する世界最大級の国際展示会であり毎年ドイツにて開催されているここ数年 Additive Manufacturing 装置メーカーも多数出展し最新機器を発表したりすることで大変注目を浴びている展示会である今年は 2014 年 11 月 25 日から28 日の間メッセフランクフルトで開催された今回のEuromoldには95カ国から56,912 名の来場者があり 34カ国から1,005 企業が出展したとのことである出展企業の国籍別では57% がドイツ企業 43% がドイツ以外の企業であった ( 図表 3 参照 ) ドイツで開催される展示会にもかかわらず出展者の4 割以上が海外からというのは Euromold が世界中から注目されている国際展示会であることを如実に示しているといえる Euromold 2014はフランクフルトメッセの 3つのホールで開催され工作機械や工具部品を中心としたホール 8.0 Additive Manufacturing を中心としたホール 11.0 Asiamoldを開催するホール9.0とわかれていた Asiamold が開催されていたため中国や韓国の出展者数が多くなっている本稿では特にAdditive Manufacturing 装置を販売している各社の最新動向について述べる (2) 金属 Additive Manufacturing 装置販売メーカー各社の動向本展示会は名称 Euromold が示すとおり金属を中心としたものである金属を溶融する手法としてはレーザーを用いるものと電子ビームを用いるものが広く活用されている電子ビームは真空下での造形が必要であるがパワーが大きく粒径が大きい金属粉で速く造形が出来るという特徴があるレーザーは真空下である必要はなくかつ様々な種類の金属粉が造形に利用できる本稿ではこのような金属の積層造形装置を販売している代表的企業を中心に最新動向を述べる A)EOS( ドイツ ) EOS 社はPowder Bed Fusion 方式の積層造形装置を開発販売する最大手の企業である本展示会において金属積層造形装置の新機種発表はなかったが同社が2013 年に発表した大型装置 EOS M 400( 造形空間 :400mm 5

6 製品開発への活用が見えてきた? Additive Manufacturing の最新動向図表 3 国籍別出展企業数 ( 資料 )Euromold 2015 開催案内パンフレットをもとにみずほ情報総研作成 400mm 400mm 高出力 1kW のファイバーレーザー搭載 ) を展示していた展示ブースには現在開発中の複数レーザーを搭載した次期モデルで造形した部品例も展示されていた複数レーザーにすることにより造形速度の向上を図るとのことであった金属積層造形装置の最大手として産業利用生産利用に向けて着々と装置開発を進めているという印象を受けたなお同社はPowder Bed Fusion 方式の樹脂積層造形装置も販売している択可能 ) 4つのファイバーレーザーを搭載しているのは現時点でSLM Solutions 社の装置のみであり高出力で造形速度の向上を図っている同社は高出力化に強みを持っているとのことであったので他社に先駆けてさらに高出力の装置を出してくるかもしれないなお同社のSLM 500はドイツのFITという3D 造形サービス企業が既に利用しておりやはりEuromold に出展していたFIT 社のブースで大々的に宣伝していた B)SLM Solutions( ドイツ ) SLM Solutions 社はPowder Bed Fusion 方式の金属積層造形装置を開発販売する企業である同社が出している大型装置 SLM 500 は造形空間が500mm 280mm 325mm であり 400Wのファイバーレーザーを4つ搭載している ( オプションで400W 2 + 1kW 2も選 C)Concept Laser( ドイツ ) Concept Laser 社もPowder Bed Fusion 方式の金属積層造形装置を開発販売するドイツの企業である同社は現時点で販売されているPowder Bed Fusion 方式の金属積層造形装置としては世界最大の造形空間を持つX line 1000R という装置を販売している ( 造形空間は 6

7 630mm 400mm 500mm 1kW のファイバーレーザー ) 同社は本展示会でM2 cusing という新機種を発表した同装置は同社発のマルチレーザータイプで 400W のファイバーレーザーを2つ搭載しており造形空間は 250mm 250mm 280mm である D)Realizer( ドイツ ) Realizer 社もPowder Bed Fusion 方式の金属積層造形装置を開発販売する企業である同社は現時点で最も小型のデスクトップタイプ金属積層造形装置 (SLM 50) を販売している造形空間は直径 35mm 80mm でジュエリーや歯冠補綴物 ( クラウン ) の造形が卓上で可能である同社は本展示会にあわせてSLM 125 というモデルを発表した造形空間は150mm 125mm 200mm と既に販売しているSLM 100と同じであるがレーザーパワーを高出力化した上で装置外形サイズをよりコンパクトにしたとのことであったコンパクトで使いやすい装置というのが同社のコンセプトとのことであった E)3D Systems( 米国 ) 3D Systems 社はAdditive Manufacturing 装置の最大手の企業である同社は2013 年にフランスのPhenix 社 ( Powder Bed Fusion 方式の金属積層造形装置を開発販売 ) を買収した現在販売している装置で最も大型のものは ProX 300という装置で造形空間は250mm 250mm 250mm である同社は本展示会においてProX 400という開発中のモデルを発表していた 2015 年に販売開始を目標としているとのことだが造形空間は500mm 500mm 500mm と他社と比較しても大きなものとなっており産業利用生産利用を目指した装置であるといえる F)Renishaw( イギリス ) Renishaw 社はイギリスの測定機器等を販売する企業であるが Powder Bed Fusion 方式の金属積層造形装置の開発販売も行っている同社はEuromold 2014において EVO Project というモデルを発表した金属粉末の取り扱いを可能な限り自動化しており生産に利用してもらうことを最大の目標としているとのことであった G)Arcam( スウェーデン ) Arcam 社は電子ビームを用いたPowder Bed Fusion 方式の金属積層造形装置を開発販売する唯一の企業である本展示会で新機種の発表はなかったが航空宇宙産業や医療機器産業 ( インプラント等 ) 向けの造形事例を多数展示していた同社の装置を利用している企業からの提供事例も多数展示してあり産業利用や応用をアピールしていた (3) 金属 Additive Manufacturingの適用分野上記で示した各企業は装置のほか造形事例も多数展示していたいずれの装置メーカーも小型装置ではジュエリーや歯冠補綴物 ( クラウン ) などの造形をターゲットとしており大型の装置になると航空機部品やエンジン関連部品金型インプラントを代表とする医療機器の展示が多かった筆者が見て回った範囲では目新しい応用事例は特に見当たらなかったが着実に様々な産業分野での利用事例を増やしていっているという印象を受けた 3. 最後に Additive Manufacturing 技術は着実に高度化が進んでいるが今後はその技術の適用分野の拡大と積層造形を活用することにより発現する新規機能を有する新たなアプリケーショ 7

8 製品開発への活用が見えてきた? Additive Manufacturing の最新動向ン開発を通じた市場の開拓が課題であろう逆に言えば新たなアプリケーションを先に見つけたところが大きな市場を獲得するチャンスがまだまだ多く残っているともいえる我が国も経済産業省が三次元積層造形装置の開発等を進める (10) などオールジャパン体制で Additive Manufacturing の研究開発を行っている開発された装置を用いた新たなアプリケーションの開発ひいては新たな市場の創出に期待したい注 (1) コンシューマー向けのFDM 装置が普及したのは Stratasys 社が保有していた特許が切れたため他社の参入が容易になったことが要因の1つであるといわれているなお産業向けの高精度な造形が可能なFDM 装置も各社から販売されている (2) Solid Freeform Fabrication Symposium のホームページ (3) みずほ情報総研コラム2014 年 10 月 14 日 -3Dプリンタに関する国際会議参加報告 -3D プリンタの生い立ちって?3D プリンタの自動販売機? column/2014/1014.html (4) 予稿集に示されているセッション ( 及びその細分類 ) に含まれる講演数をもとに作成したその他の分類の中には他の項目に該当するものも含まれているがセッションの区分に従っている (5) 本シンポジウムでは4つ ( あるいは5 つ ) のセッションが平行して行われた筆者はプロセス開発セッションには出席していないためここでは割愛した (6) クラウドソーシングとはインターネット等を用いて不特定多数の人から情報を取得する手法のことである (7) GE jet engine bracket challenge ge-jet-engine-bracket-challenge (8) (9) 年は開催場所及び時期を変更し 2015 年 9 月 22 日から25 日の期間でデュッセルドルフにて開催するとのことである (10) 2014 年より技術研究組合次世代 3D 積層造形技術総合開発機構 ( 通称 TRAFAM) を中心に積層造形装置の開発を進めている 8

Direct Selective Laser Melting of Aluminum Alloy

Direct Selective Laser Melting of Aluminum Alloy 資料 3 2013/10/28( 於 : 経済産業省 ) 新ものづくり研究会金属 3D プリンタ先進活用事例近畿大学次世代基盤技術研究所京極秀樹積層造形技術の歴史はじめに小玉 ( 名古屋市工研 ) テキサス大学オースティン校 Prof. Beaman Prof. Bourell 世界初の金属レーザ積層造形装置 (DTM 社 1992) (J.J. Beaman, et al., Solid