金属3Dプリンターとは？造形方式の種類やメリット・導入の注意点も解説！

軽量化のために内部を肉抜きした金属部品を設計しても、切削加工では刃物が届かず形にできません。鋳造で作るには型の製作が必要で、試作のたびに費用と納期がかさみます。金属3Dプリンターは、こうした金属加工の制約を減らせる手段の1つです。

この記事では、金属3Dプリンターの仕組みと造形方式の種類、導入のメリットや注意点を解説します。記事を読めば、金属3Dプリンターで何ができて、自社のどの工程に向いているかを判断できます。

型を使わずに複雑形状の金属部品を造形できるのが金属3Dプリンターの最大の特徴です。試作や小ロットの部品製造で強みを発揮します。

金属3Dプリンターとは、3Dデータをもとに金属材料を1層ずつ積み重ねて、立体的な部品を造形する装置のことです。まずは基本を、以下の3つの観点から解説します。

・金属3Dプリンターの仕組み
・従来の金属加工との違い
・樹脂3Dプリンターとの違い

金属3Dプリンターの仕組み

金属3Dプリンターは、3D CADなどで作成した立体データを薄い層に分割し、断面の形どおりに金属材料を固める工程を繰り返して部品を造形します。材料を積み重ねて形を作る製造方法は積層造形と呼ばれ、AM(アディティブ・マニュファクチャリング)とも表記されます。

金属3Dプリンターの材料には、ステンレス鋼・工具鋼・銅・チタン合金などの金属が使用可能です。レーザーや電子ビームで金属を溶かして固める方式が代表的で、装置は熱源や材料の供給方法の違いによって複数の方式に分かれます。

従来の金属加工との違い

金属3Dプリンターと従来の金属加工との大きな違いは、材料を足しながら形を作る点です。切削加工は金属の塊から不要な部分を削り出し、鋳造は型に溶かした金属を流し込んで成形します。金属3Dプリンターは必要な部分だけに材料を積み上げるため、型を用意しなくても部品を製造できます。

削り出しでは刃物が届かない内部の空洞や、網目状の構造も造形が可能です。従来の加工法では実現が難しい複雑形状に対応できる点が、製造現場で注目されている理由です。

樹脂3Dプリンターとの違い

樹脂3Dプリンターとの違いは、造形した部品をそのまま実用部品として使いやすい点です。金属3Dプリンターの造形物は、強度・耐熱性・熱伝導性といった金属材料の機械特性を持ちます。樹脂では強度が足りない用途でも、試作品だけでなく最終製品の部品として使えるケースがあります。

難削材(チタン合金のように、刃物で削りにくい材料)を造形できる点も金属3Dプリンターならではの強みです。一方で、造形精度は樹脂3Dプリンターより低い傾向があるため、高い精度が求められる面には仕上げ加工を組み合わせます。

金属3Dプリンターは、方式によって得意な形状や必要な後工程が大きく異なります。機種選定の出発点として押さえたい、代表的な造形方式は以下の4つです。

PBF方式(粉末床溶融結合)

PBF方式は、薄く敷き詰めた金属粉末にレーザーや電子ビームを照射し、溶かして固める工程を繰り返す造形方式です。パウダーベッド方式とも呼ばれ、金属3Dプリンターでは最も一般的な方式にあたります。

PBF方式は細かい粉末を1層ずつ固めるため、格子を組み合わせたラティス構造のような複雑形状の造形が得意です。一方で、造形中の部品を支えるサポート材(造形後に取り除く仮の支え)が必要になります。除去の手間も、造形にかかる時間とコストに含めて見積もります。

DED方式(指向性エネルギー堆積)

DED方式は、ノズルから金属粉末やワイヤを供給しながらレーザーなどの熱源を当て、溶けた金属を肉盛りするように堆積させる造形方式です。造形速度が速く、大型部品の造形に向いています。

既存部品の上に金属を盛れる点が特徴で、摩耗した金型の補修や、異なる金属どうしを組み合わせる造形も可能です。DED方式は細かい形状の再現は不得意なため、精密部品よりも大物の造形や補修の用途で選ばれています。

バインダージェット方式

バインダージェット方式は、敷き詰めた金属粉末にバインダー(粉末どうしを固める結合剤)を噴射し、1層ずつ固めて積層する造形方式です。造形の段階では金属を溶かさず、造形後に脱脂・焼結(結合剤を取り除き、高温で焼き固める後工程)を行って金属部品に仕上げます。

バインダージェット方式は複数の部品を同時に造形しやすく、生産性の高さが強みです。焼結を経て仕上げるため、金属を直接溶かす方式と比べて密度が低くなりやすい点には注意してください。

MEX方式(材料押出)

MEX方式は、金属粉末を樹脂に練り込んだフィラメント(ひも状の材料)をノズルで加熱し、押し出しながら1層ずつ積み上げる造形方式です。FDM方式とも呼ばれ、バインダージェット方式と同じく造形後の脱脂・焼結で金属部品に仕上げます。

金属粉末を直接扱わないため、安全対策の負担が小さい方式です。MEX方式は装置本体の価格も抑えやすい一方で、焼結時に部品が収縮するため、縮む分を見込んだ設計が求められます。

金属3Dプリンターの材料には、幅広い種類の金属が使われています。主な材料と特徴は、以下の表のとおりです。

金属3Dプリンターで使える材料は、造形方式や装置によって異なります。導入を検討する段階で、作りたい部品の材料に候補機種が対応しているかを確認しましょう。

金属3Dプリンターの強みは、従来の加工法の制約を受けにくい点に集約されます。導入で得られる主なメリットは、次の4つです。

・型を使わずに複雑な形状を造形できる
・試作から製造までの納期を短縮できる
・部品の一体化で部品点数を削減できる
・小ロット品や一点ものに対応しやすい

型を使わずに複雑な形状を造形できる

金属3Dプリンターの最大のメリットは、型を作らずに複雑形状の金属部品を造形できる点です。内部が空洞の中空構造や網目状のラティス構造など、切削や鋳造では難しい形状を製造できます。

複雑形状への対応力は、部品の軽量化や性能向上の設計に直結します。強度を保ちながら不要な部分を減らす形状も、加工の制約を受けずに実現が可能です。従来工法を前提としない自由な設計ができる点は、開発部門にとって大きな価値があります。

試作から製造までの納期を短縮できる

金属3Dプリンターは型の製作が不要なため、設計データがあればすぐに造形へ進めます。鋳造で試作するときに必要な型の製作期間を丸ごと省略でき、試作品を手にするまでの時間を縮められます。

金属3Dプリンターは設計変更のたびに型を作り直す手間も不要です。試作と修正を短い周期で繰り返せるため、開発のスピードを上げたい現場に適しています。装置を社内に置けば、外注の手配や輸送にかかる時間の削減も可能です。

部品の一体化で部品点数を削減できる

金属3Dプリンターは複数の部品を組み合わせていた構造を、1つの部品として一体で造形できます。溶接やロウ付けなどの接合工程を減らせるため、組み立てにかかる作業時間とコストの削減が可能です。

部品点数が減ると、在庫管理や調達の手間も軽くなります。組み立て工程そのものを簡素にできる点は、製造コスト全体の見直しにつながります。

小ロット品や一点ものに対応しやすい

型を使う工法では型の費用を生産数で回収するため、生産数が少ないほど1個あたりのコストが高くなります。型が不要な金属3Dプリンターは、小ロットの部品や一点ものの製造が得意です。

具体的には、生産頻度の低い部品や型が残っていない補修部品、現場ごとに仕様が異なる治具(加工や組み立てを補助する道具)の内製化などで金属3Dプリンターが活用されています。必要な数だけ作る生産に切り替えられれば、余剰在庫の削減にもつながる方法です。

金属3Dプリンターは万能な装置ではなく、導入前に知っておきたい弱点もあります。導入後の影響が大きい注意点として、次の4点を押さえてください。

・装置の導入と運用に高額な費用がかかる
・大量生産には向かない
・造形方式に合わせた設計の知識が必要になる
・粉末や不活性ガスを扱う設置環境の整備が必要になる

装置の導入と運用に高額な費用がかかる

方式と装置クラスで大きく異なりますが、金属3Dプリンター導入の最初の壁は、装置価格の高さです。SOLIZEが2026年8月に公表した目安では、金属フィラメント方式のエントリー機は約10万円台～数十万円、バインダージェット方式などは数百万円～2,000万円程度、産業用PBFは数千万円～1億円超、DEDは数千万円～とされています。

金属3Dプリンター本体だけでなく、設置工事の費用や材料費などの運用コストも別に必要です。従来工法で問題なく作れている部品の置き換えでは、投資に見合う効果が出にくい点にも注意してください。金属3Dプリンターの購入前に、受託造形サービスやレンタルで効果を確かめる方法もあります。

大量生産には向かない

金属3Dプリンターは1層ずつ積み上げて造形するため、1個の部品を作るのに時間がかかります。切削やプレスで効率よく量産できている部品を置き換えると、生産スピードとコストの両面で不利です。

金属3Dプリンターが適しているのは、多品種少量の部品や形状が複雑な部品の生産です。量産品は従来工法で作り、少量で複雑な部品は金属3Dプリンターに任せる使い分けが機能します。

造形方式に合わせた設計の知識が必要になる

従来の加工向けに作った設計データをそのまま流用しても、金属3Dプリンターの強みは引き出せません。積層造形に適した形へ設計を見直す、DfAM(積層造形向けの設計手法)の考え方が必要です。

例えばPBF方式では、サポート材の量や除去のしやすさまで考えた形状の検討が欠かせません。設計を担当する技術者の育成や外部パートナーの支援も含めて、金属3Dプリンターの導入を計画しましょう。設計の考え方が整っていないと、装置の性能を部品の形に反映できないためです。

粉末や不活性ガスを扱う設置環境の整備が必要になる

金属3Dプリンターの設置には、一般的な工作機械とは違う環境整備が求められます。金属粉末を使う方式では、機種によって粉じんの吸入を防ぐ対策や、粉じん爆発を防ぐ防爆対策が必要です。

造形中の金属の酸化を防ぐ目的で、不活性ガス(ほかの物質と反応しにくいガス)の供給・排出設備を備える機種もあります。焼結炉を使う方式では、耐火扉の設置が必要になる場合もあるため、金属3Dプリンター本体の置き場所だけでなく安全対策を含めた設置計画を立てましょう。

金属3Dプリンターで造形した部品は、すでにさまざまな産業で実用化されています。活用が特に進んでいる分野を、3つ紹介します。

・航空宇宙分野
・医療分野
・自動車分野

航空宇宙分野

航空宇宙分野は、金属3Dプリンターの活用が最も進んでいる分野の1つです。ロケットエンジンの部品や、ジェットエンジンの燃料噴射ノズルなどの製造に採用されています。

航空機や宇宙機では、部品の軽量化が燃費や性能に直結します。強度を保ったまま軽くできる複雑形状の部品を作れる点が、金属3Dプリンターの採用が広がっている理由です。生産数が少なく高い性能が求められる部品が多い点も、金属3Dプリンターの特性と合っています。

医療分野

医療分野では、人工股関節や人工膝関節などのインプラント(体内に埋め込む医療部品)の製造に活用されています。金属3Dプリンターの1個ずつ仕様の異なる部品を型なしで作れる特性が、医療用途と相性の良い理由です。

チタン合金のように、強度がありながら生体になじみやすい材料を使える点も医療分野で選ばれる強みです。

自動車分野

自動車分野では、モータースポーツ向けの高性能部品や、車両の軽量化に向けた研究開発で活用が進んでいます。金属3Dプリンターは開発段階の試作部品を短期間で用意できるため、設計検証の回転を速める用途でも使われています。

コスト面から量産部品への採用はまだ限られるものの、少量で高い性能が求められる部品から採用が広がっている分野です。

金属3Dプリンターとは、金属材料を1層ずつ積み重ねて部品を造形する装置です。型を使わずに複雑形状の金属部品を製造できるため、従来の加工法では実現が難しかった設計を形にできます。

この記事の要点は、以下のとおりです。

・代表的な造形方式はPBF・DED・バインダージェット・MEXの4つ
・型が不要なため、試作・小ロット・複雑形状の部品に強い
・装置と運用の費用は高額で、大量生産の置き換えには不向き
・設計の知識と設置環境の整備が導入の前提

金属3Dプリンターが自社に合うかどうかは、作りたい部品の形状・数量・材料で決まります。受託造形サービスなどで小さく試しながら、効果を見込める部品から活用を始めましょう。

ＹＵＡＳＡでは、PBF方式の金属3Dプリンター「Farsoon 金属AMシステム」を取り扱っています。大型部品の造形に対応し、材料や造形条件を自由に選べるオープン仕様のため、試作から量産まで幅広く活用できます。具体的な機種を検討したい方は、以下のページをご覧ください。

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