NEDO 高度な金属積層造形システム技術の開発・実証

【珈琲ブレイ句】NEDO（新エネルギー・産業技術総合開発機構）が推進する経済安全保障重要技術育成プログラムの一環として、「高度な金属積層造形システム技術の開発・実証」が進行中です。その主要テーマの一つにわれらの「Sinterbased Metal AM」のテーマがあります。正式名称は「焼結型積層造形とデジタルプロセス設計を組み合わせた金属3Dプリンタシステムの研究開発」です。

プロジェクト概要と目標：このプロジェクトは、高品質な金属3Dプリンティングを実現するために、以下の3つのプロセスを連動させ、データベースの蓄積と高品質保証体系の確立、および認証化を目指しています。①ホストプロセス: 大型焼結技術、焼結変形解析、HIP（熱間等方圧加圧）利用技術などを用いて、システム全体を統括します。②プリプロセス: アルミ合金製造技術、BJT（結合剤噴射法）用バインダーの高性能化、水アトマイズ製造技術などにより、資材の品質向上を図ります。③インプロセス: BJTによる大型造形技術、造形パラメータの最適化、焼結体物性予測などを実行します。

具体的な取り組み：特に、高速造形とサポートレスを実現する「BJT（結合剤噴射法）」の要素技術開発に注力しています。これにより、輸送機器用アルミ部品やプラント系耐熱部品、さらには金型や治工具といった多種多様なニーズに対応できる、少量多品種生産のための造形技術の確立を目指します。

参画機関と期間：ヤマハ発動機（幹事企業）、電力中央研究所、大陽日酸、九州大学、都立大学、産業技術総合研究所、三菱マテリアル、金属技研、ASKケミカルズジャパン、ExOne。期間は2024年度から2028年度までの5年間を予定。

今後動向を注目していきます。

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エアロエッジ社から学ぶ挑戦できる環境

 【珈琲ブレイ句】栃木県の中小企業「エアロエッジＡｅｒｏＥｄｇｅ」は、10年前に菊池歯車から卒業して誕生した機械加工メーカーです。ＭＩＭとは関係ないのですが、そのチャレンジ精神が凄いのでメモしておきます。◆航空機エンジン用タービンブレード加工で世界一を目指して独立◆技能と技術の掛け算で他社では真似ができない戦力を有する◆加工用工具（ボールエンドミル）から自社で創る徹底した差別化技能・技術◆全数非破壊検査による品質保証◆真空鋳造によるチタンアルミ材再生へ提案型研究開発◆最新MetalAMの導入による新たなビジネスモデル創生

この会社が超一流なのは「現状を変えられない４つの心理障壁が無い」ということだと思います。『ゼロからイチを創る』という失敗を恐れないチャレンジ精神、経営理念があるのです。

「現状を変えられない４つの心理」　

①損失回避：利益を得る喜びより、損失を被る苦痛を強く感じる心理傾向。損失を避けるために非合理的な選択をすることがある。

②保有効果：自分が所有するものに、客観的な価値より高い価値を感じてしまう心理傾向。手に入れたものを失うことへの抵抗感。

③サンクコスト（コンコルド効果）：すでに費やした時間やお金に囚われ、たとえ無駄と分かっていても、これまでの投資を正当化するためさらに投資を続けてしまう心理傾向。

④確証バイアス：自分の意見を裏付ける情報ばかりを集め、反証する情報を無視したり軽視したりする心理傾向。

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【ご案内】2026年度 長期顧問契約の追加募集

○このブログを通じて、技術の面白さや課題解決のヒントをお届けしていますが、個別具体的な状況においては、より密なサポートが必要となるケースも少なくありません。

○幸いなことに、現在も複数の企業様と長期顧問契約を結ばせていただき、技術的な成長をご支援しています。そして、来年には、新たな企業様をお迎えできる顧問契約の空き枠が生まれる見込みです。

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Incus LMM方式の金属AMを掘り下げる

PDS（Printing-Debinding-Sintering）、すなわち「Sinterbased-Metal-AM」や「MIM-Like-AM」と呼ばれる脱脂焼結を行う金属AMとしては、MEX方式とBJT方式がよく知られています。しかし、ここではもう一つの実用化技術であるLMM方式の金属３Dプリンターについての疑問を新しいテーマとして掘り下げておきます。本ブログの内容は現時点では『仮説』であり、今後調査を行い結果を改めてご報告する予定です。（独り言：誰か教えてくれないかな。）

概要につきましては、関連ブログ「MIM Like AMのすばらしいLMMを復習する」をご参照ください。

テーマ「なぜ液体フィードストックの中で金属粉末が沈殿しないのか」

《仮説》金属粉末は光硬化性樹脂と混合され、スラリー状あるいはペースト状で使用されます。粉末の沈降を防ぐ技術としては、主に以下の2つが考えられます。①高濃度にする。混合物の粘度を高く保つことで沈降を抑制する。②チキソトロピー性を持たせる。つまり、静止時には高い粘度を保ち、力を加えると粘度が低下する性質を持たせる。

積層後の塊は「ケーキ」と呼ばれていますが、そのケーキから光硬化した３Dモデルだけを取り残すDe-Caking工程の動画を見ると、15分で溶けていく様子が確認できます。このことから、積層装置から取り出したケーキは固体であるがDe-Caking工程で液体に変化する混合物であることがわかります。

さらによく見ると、網の上に置かれたケーキの上部には小型の装置が設置されています。この装置はなんでしょうか？　もしかすると振動発生装置の可能性があります。ケーキにチキソトロピー性があれば、空気を伝わった波動エネルギーで液化するはずです。

初めは、コロイダルシリカの応用かなと思いました。ロストワックスのコーティングでは、コロイダルシリカが用いられています。これは、シリカ粒子を電荷的に反発させることで、液体中に分散・浮遊させています。セラミック粉末の場合、この原理の応用は可能ですが、金属粉末では金属イオンの影響により、凝集（ゲル化）が起こりやすいため、同様の手法は難しいでしょう。

ところで、このINCUS方式の最大のメリットは、フィードストックを構成する金属粉末が微細であるほど均質分散の面で有利であるということです。対照的に、BJT方式はマイクロ微細粉末になるほど敷き詰め（Powder spreading）が苦手です。だから、マイクロMIMの太盛さんが3.5DプリンターとしてLMM方式を採用した根拠がここにあると推察しています。

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MIM製多孔質チタン合金の製造方法と用途

MIM製多孔質チタン合金の製造方法と用途のポイントをまとめる

《多孔質MIMの製造方法は２つ》

①スペースホルダーを使う方法　　スペースホルダー材質：PMMA、NaCl、KCl　、　スペースホルダー除去法：水溶解、加熱分解

　特徴：母材は高温焼結で最高密度が可能。ポーラス形状が異形あるいは球形。パウダースペースホルダーで数ミクロンの球形ポーラス可能。

②スペースホルダーを使はない方法　　制御因子　①粉末粒径**　②焼結温度**　③粉末形状*　

　事例：D50 = 100μm、1000℃焼結、多孔度74 % 、焼結密度1.24g/cm3、C0.03％、O0.27％

《多孔質MIMの特徴》

・ポーラス金属は多孔質で軽量、比表面積が大きい。

・金属の熱・電気伝導性と高い力学的特性を持つ。

・マイクロオーダーの気孔を持つポーラス金属は、多様な機能性部品への応用が期待される（フィルタ、電極、インプラント、ヒートシンク、熱交換器など）。

・ポーラス金属の製造方法は多いが、気孔径が大きいものが多い。

・多くは単純形状素材で二次加工が必要である。そのためネットシェイプでのMIM量産が期待されている。

《多孔質MIMの用途》

・マイクロオーダーの気孔を持つポーラス金属は、多様な機能性部品への応用が期待される（フィルタ、電極、インプラント、スキャフォールド、ヒートシンク、熱交換器など）。

【珈琲ブレイ句】多孔質MIMの製造方法は、スペースホルダーを使う方法が良いと感じます。理由は、①焼結温度に対するロバスト性が高い（焼結機能窓が広い）からです。スペースホルダーを使わない方法は、「焼結を途中で中断して気孔率を管理する」方法なので、炉内温度バラツキに影響を受ける可能性が高いのです。一方、スペースホルダーを使う方法の焼結条件は母材の最適温度(焼結機能窓）で作られるので品質（引張強度、気孔率）が安定するのです。②さらに、気孔の形状はスペースホルダー形状の転写で、数(気孔率）はスペースホルダーの添加量でコントロールできます。

PS.スペースホルダーの除去方法ですが、塩（NaCL）は水で溶解させる方法が一般的ですが、ある大学では加熱分解で除去しておりました。塩の融点800℃、沸点は1400℃なので二次脱脂後に液化流出して、焼結中に蒸発している感じですね。炉内汚染は大丈夫かな？？

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MEX方式のUSA情報をまとめた

 

【珈琲ブレイ句】金属MEXをまとめて気づいたこと４つ。

①３Dプリンター造形機は高嶺の華の専用機セットと手の届くOPEN機に分けられます。ただし、OPEN機で造形したものを完全に金属にするためには、後工程の脱脂装置と二次脱脂・焼結炉を準備する必要があります。あるいは、専門業者に依頼する必要があります。

②高嶺の華の造形機は、サポートとの境界面にセラミック剥離層を２色造形する方式なので、焼結後のサポートの分離が容易です。（∵セラミックと金属は拡散接合しない）

③高嶺の華のセットには、溶媒脱脂装置を選択することできます。やはり、64Tiなどのカーボンコントロールが厳密に必要な材種では溶媒脱脂（一次脱脂）が必要になるようです。FilametでもPMMAなどの膨潤する樹脂が配合されていなければ溶媒脱脂ができる可能性はありますが未確認です。

④材料費は、ロッド（棒材）が一番安価です。相対的にフィラメントにする製造コストの方が高いということでしょうか？

《蛇足：独り言》国内で購入すると、Ultrafuse17-4PHは、25,300円/kg（© 3DFS id.arts）なのでUSAで購入するより少し割高（仕方がない）です。国内唯一の第一セラモ製フィラメントに期待しましょう。さらに、第一セラモではペレットのMEXも扱っているので材料費はさらに安価になる可能性がありそうです。頑張れMade in Japan！！

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Filamet(TM)の金属MEXビジネスモデル

【珈琲ブレイ句】米国のThe Virtual Foundry, Incによる金属MEXのビジネスモデルをメモしておきます。金属フィラメントだけでなく、プログラム式電気炉から脱脂焼結セットまで販売しています。金属MEXを楽しめるビジネスモデルの世界がここにあります。アートペンでも積層OKということなので子供に造形してもらってもいいし、FFFプリンターがあれば高専の教材にもなりそうです。　なぜ焼結カーボンでるつぼに蓋をするのか？など冶金学も学べます。そうしてMIMを身近に感じてもらえるようになるはずです。

金属フィラメント：金属11種、Φ1.75＆2.85ｍｍ　（6061,IN718,316L,630他）

３Dプリンター：FFF式、機種を選ばない。アートペンでもOK。

プログラム式小型脱脂焼結炉：1970＄、110V、MAX1260℃

自宅で脱脂焼結セット（Filamet™キット）：SUS316Lセット/セラミックるつぼ、フィラメント 0.5kg、アルミナ 300mL、スチールブレンド耐火物 1kg、焼結カーボン 0.5kg。

Filamet™キットの脱脂焼結手順：① 《準備》るつぼに ３Dモデルを入れスチールブレンド耐火物で埋める。②《脱脂》 るつぼを電気炉に入れて、204℃×2H、保持2H、427℃×2H、保持2H、炉冷後に取り出す。③《焼結》るつぼ上部を焼結カーボンで埋めて炉に戻す。593℃まで急昇温、保持2H、焼結温度1232℃（SUS）まで2H、保持４H、593℃×6H冷却してヒーターOFF、炉冷

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Metal AM 周辺技術の新しい言葉BOX

 【珈琲ブレイ句】最近Metal AMの技術文献の中で、初対面の言葉に出会うことが多くなりました。特に省略語は意味不明です。そこで出会った専門用語を此処に投げ込んでいきます。

「PDS」：Printing, Debinding, and Sintering、３D印刷して脱脂して焼結する工法。つまり「Sinterbased Metal AM」のこと。「MIM-Like AM」も同義。

「MEX」：Material Extrusion、溶融積層法。

「FFF」：Fused Filament Fabrication、フィラメントを使った溶融積層法（MEX）。Fused Deposition Modeling（FDM）が元祖、Stratasys社の特許技術、 Bound Metal Deposition (BMD) のDesktop Metal Studio System 、Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM)のMarkforged（Metal X）などがある。ペレット（pellet）を使ったものは（FPF）。

「３F」：FFFのこと。Fが３つだから。

「FPF」：Fused Pellet Fabrication、　材料にペレットを使った溶融積層法（MEX）。FGFと同義。

「FGF」：Fused granulate fabrication 、　粒状の材料を使った溶融積層法（MEX）。FFFと同義だが、最近はFGFを使った文献が多くなっている。

Studio SystemのDual Extrusionプリンターとしての未来を妄想する

 【珈琲ブレイ句】Disk Top MeatalのStudio Systemは、MEX方式ですが、サポートセラミック層も積層するのでDual Extrusionプリンター（二重押出プリンター、２色プリンター）です。このセラミックの代わりに違う材種の金属材料ロッドを使えば、二材種金属造形体を理論的には造れるはずです。

そうすれば、耐摩耗性材料だけを表面に点在させたり、機能傾斜材料（FGM: Functionally Graded Materials） も製造できます。２C-MIMの量産化はすでに行われているので面白いテーマだと妄想しています。イメージは『箱根寄木細工構造』です。新しい機能材料が誕生する予感がします。

課題としては、異なる金属材料の融点、熱膨張率、焼結特性が異なるので、積層間の剥離や変形、焼結時の割れなどの問題が発生する可能性があります。でも、優先材と補完材をはっきり区別すれば、優先材の焼結条件は決められるはずです。

注意：ただし、現時点ではDesktop Metalが公式に異なる金属材料同士を積層するアプリケーションや、そのための具体的な材料の組み合わせ、プリントプロファイルなどを提供しているという情報は確認できません。

関連BLOG: ２C-MIMとは？

関連BLOG：２C-MIMの課題をまとめる

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MEX溶融積層式３Dプリンター用BASFフィラメントのメモ

 【珈琲ブレイ句】アメリカ合衆国におけるMEX溶融積層FFF用のBASFフィラメント（Ultrafuse）に関連する技術とビジネス情報をそのままメモしておきます。　多少の疑問もありますが、最後の「脱脂焼結サービス」というビジネスモデルがいいですね。これが日本でも流行れば、もっとMetalAM（MEX）の理解者が増え、その先にあるQCDで有利なMIMの利用者がさらに増える近未来が見えてきます。脱脂焼結の一回無料券は魅力ですよね。　日本のMIMメーカーにも、ビジネスモデルを更新するチャンスが来ていると思うのです。トップダウンのMIMメーカーはすでに更新中ですね。

《フィラメント》金属含有量80%以上、直径1.75mmと2.85mmの2種類、厳しい公差が求められる場合はニアネットシェイプ加工（例えば焼結後にねじ山を切る必要）が必要。

《材質》316Lと17-4 PHの2種類

《３Dプリンター》印刷には、密閉された加熱チャンバーと少なくとも100℃まで加熱可能な加熱ベッドを備えた3Dプリンターの使用を推奨。印刷ベッドはガラス製で、Dimafixベッド接着剤の仕様を推奨。

《積層条件》加熱ベッド温度: 100 - 120℃、ホットエンド温度: 215-235℃、ノズル径: 0.4mm、ノズル材質:硬化鋼、部品冷却なし:レイヤー冷却により印刷中に反りが生じる可能性有り、推奨レイヤー高さ: 0.10 - 0.25mm [高密度の場合は0.15以下]、推奨速度: 15 - 40 mm/s、充填: 100% 、最も均一でしっかりとした充填を実現するために、形状に応じてラインまたは同心円パターンのいずれかを推奨。充填物に隙間やボイドがあると、脱脂および焼結プロセス中に不具合が発生する可能性がある。

《部品設計ポイント》片面を平坦にし、部品の厚さが均一になるようにすることを推奨。薄肉やオーバーハングは避ける。部品の体積は100mm³以内に収める。高さと幅の比を3:1未満にすることで、脱脂および焼結中の部品の崩壊を防止できる。部品の拡大率は、X/Y方向で最終寸法の+120%、Z方向で+126%。

《形状サポートについて》オーバーハング角度が45°を超える場合はサポートの使用を推奨。サポートと同じ材料を使用（サポート充填構造は密度が約70%である必要がある）。サポートは、グリーンパーツの状態でも焼結後でも取り外すことができる。グリーンパーツからサポート材を取り外す前に、脱脂と焼結の戦略を検討する必要がある。

《脱脂・焼結》脱脂は、気化硝酸を用いる触媒脱バインダープロセス。市販の焼成炉を用いて純水素環境で焼結。

　触媒脱バインダーは、数百℃程度の温度でガス状の酸雰囲気下で一次ポリマーを分解。BASFプロセスでは、120℃、硝酸濃度98%以上で脱バインダーを行う。50リットルの脱バインダー炉を基準に、硝酸供給量（通常30ml/h）とパージガス供給量（500l/h）により安全な処理が実現できる。反応生成物は天然ガスの炎で600℃を超える高温で燃焼され、成形体は完全に脱脂体となる。脱バインダー損失が10.5%未満に達した時点で、脱バインダープロセスは終了する。これは、このプロセス全体のために特別に設計された密閉型制御システム内で行われる。

 脱脂体は次に焼結工程へ送られる。焼結とは、脱脂体に残った金属粉末を熱によって固体金属に変える工程である。特別に設計された炉では、金属の融点よりわずかに低い温度に設定され、脱脂体から二次バインダーを除去し、その後、金属粒子が融合される。

 焼結は、100%クリーンで乾燥した水素雰囲気で行う必要がある。典型的な焼結サイクルは、次の条件である。① 室温 - 5 K/分 - 600°C、1時間保持　② 600°C - 5 K/分 - 1380°C、3時間保持　③ 炉内冷却

《焼結密度》316L: 7850 kg/m³ / 490.1 lb/ft³ 、17-4 PH: ≥ 7g/cm³

《脱脂焼結サービス》出力した部品は、脱バインダーと焼結のためにサービスプロバイダーに送る必要がある。部品を出力・洗浄し、郵送して、予定された処理後に返送されるのを待つ。現在、部品は月に2回処理されている。

《フィラメント価格（USD）》Ultrafuse 316L 1.75mmまたは2.85mm 3kg：465ドル、Ultrafuse 17-4 PH 1.75mmまたは2.85mm 3kg：349ドル 1kg：129ドル（価格はmatterhackers.comより）

《価格設定（USD）》フィラメント1スプールには、Ultrafuseで3Dプリントしたグリーンパーツ（最大1kg）の脱脂・焼結1回分に相当する処理チケットが1枚無料で付属している。追加の処理チケットは50米ドルで購入でき、同じ条件が適用される。パーツは北米ではDSH Technologies、欧州ではElnik SystemsとAMPC Solutionsで処理される。DSH echnologiesに直接脱脂・焼結サービスを依頼した場合は、1サイクルあたり1,500ドルの料金がかかる。

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