パウダーベッド方式は金属３Dプリンタに使われる工法で、金属のパウダーをレーザーで溶かして固め、立体構造をつくる技術です。ニコンなどのメーカーが開発を進めており、金属３Dプリントの先端技術として注目されています。
本記事では、パウダーベッド方式の金属３Dプリンタの基本的な仕組みと主な用途、現状の課題を詳しく解説します。後半では、ニコンが買収したSLM Solutionsのマルチレーザー技術や、金属３Dプリンタでクルマの製造プロセスを革新するDivergent Technologiesの動向を紹介します。基礎から実用までまとめて理解したい方はぜひご参照ください。
※以下の記事では、金属３Dプリンタ開発でしのぎを削るメーカーの比較分析を紹介しています。
この記事の内容
パウダーベッド方式の金属３Dプリントの仕組み（Palら,2022 の図に追記して作成）
まず、パウダーベッド方式の仕組みを簡単に解説します。
パウダーベッド方式の金属３Dプリンタの造形スペースには、上図のように積層した金属パウダーの層がつくられており、これがパウダーベッドと呼ばれます。パウダーにレーザーを照射して溶かし、固めることで金属の立体構造がつくられます。
レーザーを照射して固めた後に、ローラーが次の金属パウダーを供給して新たな層をつくり、またレーザー照射を行う、という繰り返しで３D造形が進みます。細いレーザー光の照射により造形できるので、溶かした金属をノズルから出す方法よりも精密な構造をつくることが可能です。
パウダーベッド方式の金属３Dプリンタは、緻密な立体構造を金属で成形でき、かつ形状変更にも柔軟に対応できます。例えば以下の用途で使われています。
レーザーの加熱・冷却による歪み（Pattersonら, 2017の図に追記して作成）
一方、要求される精密さが上がるにつれて、技術的な課題も生じます。特に重要なのが「熱」に関する課題で、例えば上図のように「レーザーによる加熱と、その後の冷却により生じる歪み」が不具合の原因になります。他にも、材料コストや加工スピードなど、複数の課題があります。
次項では、これらの課題を解決し、金属３Dプリンタの普及をリードするメーカーの動向を解説します。
複数のレーザーを使うSLM Solutionsの３Dプリント技術（同社の特許出願 US20130064706A1 の図に追記して作成）
SLM （SLM Solutions Group AG）は2006年に設立されたドイツの金属３Dプリンタメーカーです。2014年に上場した後、2023年9月に日本のニコンが買収を完了しています（ニコンのリリース参照）
SLMの強みは複数のレーザーを使う「マルチレーザー技術」で、関連特許も多数出願されています。例えば2010年に出願された US20130064706A1 には、上図のようにメインの溶融用レーザー（SLMレーザー）の他に、ダイオードレーザーと呼ばれる別のタイプのレーザーを併用する技術が記載されています。ダイオードレーザーを金属パウダーの「予熱」に使うことで急激な熱の変化による歪みが防止できるので、前記の歪みの課題を軽減できます。
SLMを買収したニコンも、半導体分野の装置開発で培った光学技術と精密加工技術を保有しています。両社の統合により、これまでよりもさらに高精度な金属３Dプリンタが開発されることが期待できます。
※SLM Solutionsの詳細は以下の記事で解説しています。
一方、金属３Dプリンタの装置開発ではなく、金属３Dプリンタを使って「製造プロセスの革新」に取り組む企業も登場しています。
米国スタートアップのDivergent Technologiesは、「あらゆる製造プロセスのデジタル化」を目標として掲げており、３Dプリンタで製造した部品でつくったスーパーカーを2015年に発表しています（2015年6月の３D Print.com記事参照）。また、2021年10月のMETAL AMの記事によると、同社はSLMの金属３Dプリンタを3台購入し、自動車製造に利用しています。ニコンが買収したSLMの技術が、クルマの製造プロセス革新にも貢献していることがわかります。Divergent TechnologiesのCEOであるKevin Czinger氏は、2019年にSLMの取締役にも就任しており、両社の連携は今後さらに強化されそうです。
車体フレームの製造プロセス革新は、大手自動車メーカーにとっても重要なテーマです。例えばトヨタが2023年6月のリリースで発表した「クルマの未来を変える新技術」にも、車体の一体成型技術が含まれています。軽量化が進むことで消費する燃料や電力の低減にもつながるので、脱炭素化が求められる時代に求められる技術と言えます。
金属３Dプリンタは軽量かつ頑丈な車体フレーム製造に適しているので、今後さらに普及が進むことが予想されます。
※トヨタの全固体電池の開発動向は以下の記事で解説しています。
以上、パウダーベッド方式の金属３Dプリンタについて、技術の概要と主な用途、現状の課題、実用化をリードするメーカーの最新動向を紹介しました。ニコンが買収したSLMの装置は、Divergent Technologiesのように先進的な企業にも導入されており、今後の製造プロセス革新において重要な役割を果たしそうです。
今回ご紹介した内容は、弊社の無料メールマガジンで代表の楠浦が取り上げた情報や、今後配信する予定の情報をベースに作成しています。メルマガでは技術的にさらに踏み込んだ内容や、ビジネスモデルの観点で掘り下げた考察をご紹介しております。
また、弊社の調査レポート「イノベーション四季報」では、テーマごとのイノベーション情報を総括した資料を提供しています。ニコンによるSLM買収の狙いと、両社の技術のシナジーについて詳しく分析したレポートも後日リリース予定です。
コラムや調査レポートのリリース情報もメルマガで毎週お伝えしているので、最新情報を入手する無料ツールとして是非ご活用ください。
★セミナー開催のお知らせ
【6月21日オンライン開催】発明塾セミナー：電動化・自動運転普及に向けてデンソー・ボッシュはどう事業を変革するか？ ～成長戦略を特許・IRから比較分析 ～
電気自動車への転換や自動運転技術の普及に向けたデンソーとボッシュの戦略を特許・IR情報を元に比較分析するセミナーです！
電動化による内燃機関からの脱却や、トヨタ依存からの脱却に向けた事業転換を急速に進めているデンソーと、人工知能の技術開発などによる事業転換を加速させているボッシュ。両社の戦略を、既存技術を市場に適合させ、新たな用途や需要を創出する戦略「技術マーケティング」の第一人者である弊社代表の楠浦が、「事業転換のキーパーソン」のレベルまで掘り下げて詳しく解説します。自動車業界の構造変革に乗り遅れたくない方は是非ご参加ください！
★本記事と関連した弊社サービス
①無料メールマガジン「e発明塾通信」
材料、医療、エネルギー、保険など幅広い業界の企業が取り組む、スジの良い新規事業をわかりやすく解説しています。半導体関連の技術に関する情報も多数発信しています。
「各企業がどんな未来に向かって進んでいるか」を具体例で理解できるので、新規事業のアイデアを出したい技術者の方だけでなく、優れた企業を見極めたい投資家の方にもご利用いただいております。週2回配信で最新情報をお届けしています。ぜひご活用ください。
②電動モビリティの最先端 ～「陸・海・空」の電動化をリードする企業の戦略を徹底分析～「【イノベーション四季報™・2023年夏・秋合併号】
内燃エンジンの時代が終わりを迎え、モビリティの電動化が車だけではなく海上・航空分野でも急速に進んでいます。
本調査レポートでは、トヨタ・テスラを始め、海上輸送を革新するシーグライダーや、
デンソーも取り組む最先端の電動航空機「eVTOL」など最新の電動モビリティ情報をまとめて解説します。
電動化シフトをチャンスとして自社の成長につなげたい方は、ぜひご活用ください！
★弊社書籍の紹介
弊社の新規事業創出に関するノウハウ・考え方を解説した書籍『新規事業を量産する知財戦略』を絶賛発売中です！新規事業や知財戦略の考え方と、実際に特許になる発明がどう生まれるかを詳しく解説しています。
※KindleはPCやスマートフォンでも閲覧可能です。ツールをお持ちでない方は以下、ご参照ください。
Windows用 Mac用 iPhone, iPad用 Android用
畑田康司
TechnoProducer株式会社シニアリサーチャー
大阪大学大学院工学研究科 招へい教員
半導体装置の設備エンジニアとして台湾駐在、米国企業との共同開発などを経験した後、スタートアップでの事業開発を経て現職。個人発明家として「未解決の社会課題を解決する発明」を創出し、実用化・事業化する活動にも取り組んでおり、企業のアイデアコンテストでの受賞経験あり。
あらゆる業界の企業や新技術を徹底的に掘り下げたレポートの作成に定評があり、「テーマ別 深掘りコラム」と「イノベーション四季報」の執筆を担当。分野を問わずに使える発明塾の手法を駆使し、一例として以下のテーマで複数のレポートを出している。
IT / 半導体 / 脱炭素 / スマートホーム / メタバース / モビリティ / 医療 / ヘルスケア / フードテック / 航空宇宙 / スマートコンストラクション / 両利きの経営 / 知財戦略 / 知識創造理論 / アライアンス戦略
ここでしか読めない発明塾のノウハウの一部や最新情報を、無料で週2〜3回配信しております。
・あの会社はどうして不況にも強いのか？
・今、注目すべき狙い目の技術情報
・アイデア・発明を、「スジの良い」企画に仕上げる方法
・急成長企業のビジネスモデルと知財戦略
