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工作機械産業
日本における積層造形 現状と展望
積層造形(アディティブ・マニュファクチャリング、AM)が世界的に注目されるようになってから10年ほど経過している。金属材料に対応可能なAMの確立に伴って産業応用が急激に進み、2022年には世界市場が180億ドルまで成長している。一方で23年における日本のAM関連論文発表数は世界14位であり、発展途上国や新興国にも開発規模は敗北しつつある。ここでは主に、こうした学界の視点から日本のAMの現状について解説する。
AMに対する市場ニーズ・研究開発動向
近年のAMの急激な広がりは、13年2月に米国でオバマ大統領(当時)が一般教書演説で、AMを中心とした産業発展を促す大型投資を行うと宣言したことが主要因と考えられ、現在でも最新のモノづくり技術としてAMが注目を集め続けている。Wohlers Associatesの調査によると、関連サービスを含むAMの世界市場はすでに22年時点で180億ドル(前年比18・3%)まで拡大しており、いまだ急激な成長を続けている。
AMはすでに国内でも日本産業規格(JIS)で、20年に「JISB944」として規格化されている。金属材料に対応しやすい造形方式としては、微細構造の造形を得意とする粉末床溶融結合法(PBF)、高出力熱源を用いた高効率造形を実現する指向性エネルギー堆積法(DED)が産業界から注目されている。
こうした市場動向が解説されることは多くあるが、ここでは学術面から世界的な研究開発動向について説明する。例えばElsevierの論文検索サービスである「Scopus」によると、AMに関連する論文発表数は23年の1年間に限定しても世界中で1万2000編以上である。22年以前は米国が首位であり続けたが、23年には2500編以上の論文を発表した中国が首位となった。同様に、インドが急激に論文発表数を増やしており、ドイツを抜いて世界3位となっている。
日本は260編以上で世界14位の位置づけにあり、発展途上国や新興国までAMの研究開発を進めている中で、大幅な後れをとっている。世界に比べて日本のAM市場は盛り上がりに欠けると評されるが、将来展望を見据える研究についてはさらに深刻な後れが生じており、工業先進国の中でも際立ってAMへの開発投資規模が小さいといえる。
AM機能を搭載した複合加工機の製品動向
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指向性エネルギー堆積法による円筒コーティング
金属材料に対応できるAM装置において、DEDは既存部品上に造形できる特徴から修理やコーティング工程への応用が注目されている(写真)。
特に金型の修理には、肉盛り溶接や仕上げ加工において多くの人手を要していることから、品質の安定性や作業の安全性を向上させるため、DEDによって金型欠損部上に造形して研削などの除去加工を施す複合プロセスが、自動化技術として注目を集めている。したがって、5軸マシニングセンター(MC)の一機能としてDEDを搭載する複合加工機の販売数も増加しており、現在の生産ラインで活躍する立場を確立しつつあることから、今後も応用の幅が徐々に広まっていくと考えられる。
今後の展望
現在のAMにおける技術課題として「30マイクロメートルの壁」が挙げられる。溶融凝固を伴う造形プロセスでは表面張力の影響、粉末を利用する造形プロセスでは利用可能な粉末サイズの制約によって、30マイクロメートルよりも造形分解能を向上させることが困難である。
したがって先進国と新興国の間でAMに関する技術格差はほとんどないため、人件費や物価など、経済や政治など技術以外の要因にAMの発展は左右されやすい。こうした世界情勢において、先進国がAMの国際競争に勝利するためには、AMの精度や効率をさらに向上させる技術開発を戦略的に行い、改めて技術レベルの勝負に持ち込む必要がある。
例えば筆者の研究室では、30マイクロメートルの壁を打ち破るべく、遠心加速度を付加したPBFプロセスの開発に取り組んでいる。30マイクロメートル未満の粉末は電気的に凝集したり、簡単に風に舞ったりするのでPBFで扱うことが難しい。これは微細粉末において重力の影響度が電気力や流体力よりも小さくなることに起因すると考え、遠心機とPBFユニットを融合して再び重力を支配要因とする高重力場PBF装置を世界に先駆けて開発した(図)。
すでに7・5マイクロメートルの金属粉末で安定造形に成功し、スパッターの抑制や造形物の密度向上など、副次的に多くの有用な効果が得られることも実験的に証明している。無重力の宇宙空間でも安定造形ができるなど、宇宙戦略まで含めて応用の幅が極めて広いと考えている。こうした挑戦的研究に対して実用を検討いただくなど、産業界からも支持を一考いただけると幸いである。
【執筆】
慶応義塾大学
理工学部 システムデザイン工学科
専任講師 小池 綾
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