金属積層造形プロセス概要 - nedotsc nanotechnology & materials unit...

2019年 NEDO 『 TSC Foresight 』セミナー（第3回）

井関隆之

2019年2月8日

国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）

技術戦略研究センター (TSC)

ナノテクノロジー・材料ユニット

TSC Foresight金属積層造形プロセス

概要

TSC Nanotechnology & Materials Unit

１、金属積層造形プロセス技術：概要

金属粉末を1層づつ積み上げ、熱エネルギーで立体造形する技術（複数の手法有、造形構造や用途および材料によって使い分け）

（手法の一例）粉末床溶融結合方式特徴の一例

熱エネルギービーム

（レーザーor電子ビーム）

（繰り返し）

金属粉末（焼結部分）（未焼結部分）

（焼結プロセス）

リコータ

金属粉末

（金属粉末敷き詰めプロセス）

（造形部分）

（エネルギービーム走査機構）

金属造形部品

出典：NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）出典：TRAFAMホームページ

従来加工では困難な造形が可能

短納期・少量・多品種製造に適する

【装置技術】

【プロセス技術】

【金属材料技術】


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１、金属積層造形プロセス技術：技術体系

出典：NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

金属粉末技術・アトマイズプロセス・分級プロセス・粒度分布・欠陥（ポロシティ）・材料コスト・粉末回収、リサイクル方法・酸化防止

【金属材料技術】【装置技術】

装置メーカー材料メーカー

【造形プロセス技術】（設計＋造形レシピ開発）

ユーザー企業

造形品（造形構造設計・活用）

装置技術・熱エネルギー源・熱エネルギー走査方法・加熱/放熱機構・造形速度・時間・粉末供給システム・粉末敷き詰め技術・粉末回収システム・コンタミ防止方法・スパッタ低減技術・ヒューム制御技術・スモーク制御技術・造形物品質管理方法・ソフトウエア技術・低コスト化設計・大型部品造形

造形プロセス技術・熱エネルギー密度・保持温度・冷却速度・造形描画手順・粉末粒径/分布と造形精度・スパッタ低減技術・ヒューム/スモーク制御技術・結晶性制御・欠陥低減方法・造形物品質制御方法・サポート設計技術

技術分野の関連性

（その他）設計技術・トポロジー最適化・3D－CAD・データ変換・サポート設計

技術としては、装置/金属粉末材料/プロセス（レシピ）の3要素に大別される。

3要素はそれぞれに密接に関連、独立に扱うと適切な造形品を得ることは困難。

技術全体を統合化する（例えば装置企業がコントロール）方向にある。


１、金属積層造形プロセス技術：政策との関係

【第5期科学技術基本計画（H28-H32）】：超スマート社会(Society5.0)必要なもの・サービスを、必要な人に、必要な時に、必要なだけ提供し、社会の様々な

ニーズにきめ細かに対応でき、あらゆる人が質の高いサービスを受けられ、年齢、性別、地域、言語といった様々な違いを乗り越え、活き活きと快適に暮らすことのできる社会。

出典：内閣府「第5期科学技術基本計画」を基にNEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

３Dプリンタ等の革新的な生産技術の開発工場・ﾌﾟﾗﾝﾄ等生産ﾌﾟﾛｾｽにおけるｴﾈﾙｷﾞｰ利用効率向上技術の開発

AdditiveManufacturing

樹脂材料は試作品開発の効率化に寄与

金属材料は試作品開発の効率化だけでなく、実部品の生産へも展開

カスタマイズ製品の提供

Society 5.0実現のための12のシステム・課題


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２、市場動向：金属積層造形装置の販売台数

装置出荷台数は2010年頃から伸びが上昇、特に2017年には前年比2倍近い伸び。

装置はドイツ製が過半数を占める（ただしConcept Laser, ArcamはGEが買収）。

ただし、2017年時点で全出荷台数は5768台。普及に向けての参入余地は大きい。

出荷台数

（台）

出荷年（年）出典：（シェア）GlobeNewswire 発表、（年推移）Wohlers Associate 発表を基に、NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

金属積層造形装置出荷台数年推移

全出荷台数：5768台

（ドイツ）

（ドイツ⇒米国）

（ドイツ）

（米国）

（ドイツ）

（スウェーデン⇒米国）

（英国）

金属積層造形装置シェア(2000～2017年）


国社名用途・目的、材料等造形方式、備考

日本松浦機械製作所

金型（深リブ、水管その他）粉末床溶融結合方式＋切削加工の複合機2014より北米でAvance-25販売開始

ソディック金型、3次元冷却配管、複雑意匠デザイン等粉末床溶融結合方式＋切削加工の複合機

DMG森精機航空機、医療等（指向性エネルギー堆積方式）多品種少量部品、複雑形状部品（粉末床溶融結合方式）

レーザー溶融堆積方式＋切削加工の複合機REALIZER（ドイツ）を子会社化

ヤマザキマザック

補修、コーティング、ニアネットシェイプ等指向性エネルギー堆積方式＋切削加工の複合機

アスペクトチタン、ステンレス、CoCr・鉄・アルミ等粉末床溶融結合方式（レーザー）

富士通アイソテック

ステンレス、インコネル、アルミ、ニッケル、銅合金等（2016年時点）

指向性エネルギー堆積（金属ワイヤ使用）方式切削仕上げが必要

リコー開発中（2016年時点）バインダー噴射方式（後に焼結）

米国３D Systems ステンレス、工具鋼、超合金、非磁性合金、サーメット粉末床溶融結合方式（レーザー）

DDM Systems

タービン部品、ニッケル合金粉末床溶融結合方式、液体セラミックバインダの光造形方式(後に焼結）も

Desktop Metal

ステンレス、インコネル、工具鋼、銅等金属粉末とバインダー混合物の押出し成形方式（後に焼結）

英国 Renishaw 航空宇宙、医療等粉末床溶融結合方式（レーザー）

スウェーデン

ARCAM 医療、航空（チタン・アルミ・バナジウム合金、純チタン、コバルト・クロム合金、チタン・アルミ合金、インコネル718）

粉末床溶融結合方式（電子ビーム）カナダAP&C（材料企業）を子会社化米国GEが買収

ドイツ SLM Solutions

航空宇宙、自動車、エネルギー、医療、工作機械等粉末床溶融結合方式（レーザー）

EOS 自動車、航空、医療、歯科医療、ツーリング、工業向け、ライフスタイル製品

粉末床溶融結合方式（レーザー）レーザー方式の最大手

Concept Laser

航空、自動車、医療、歯科医療、ジュエリー等粉末床溶融結合方式（レーザー）造形空間世界最大レベル米国GEが買収

55出典：各種技術情報を基にNEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

２、市場動向：金属積層造形装置開発企業と方式


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２、市場動向：市場規模予測

航空機用途への実用化が開始、また一部の金型へ適用が進みつつある

今後製造現場への導入が増え、装置・材料・造形品共に市場の拡大が予測される。

出典：各種市場規模予測データを基にNEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

造形装置金属粉末材料造形品

現在 1,223億円(2017年) 110億円(2016年) -

予測（2030年） 6,500億円 5,000～6,500億円約2兆円

装置/金属粉末/造形品ごとの市場規模予測

2030年予測市場規模金額：金属積層造形プロセスを用いた造形部品市場、（）内は各分野の全体金属製品市場規模

造形品市場規模予測（金属積層造形技術の寄与分のみ）

航空・宇宙

（ｴﾝｼﾞﾝ部品等）1,100億円（5.7兆円）

発電

（ﾀｰﾋﾞﾝ部品等）200億円(24兆円）

医療

（ｲﾝﾌﾟﾗﾝﾄ等）5,600億円(5.9兆円）

エレクトロニクス

（ﾒﾀﾏﾃﾘｱﾙ等）4,000億円（7,000億円）

自動車

（ﾗｼﾞｴｰﾀ・ターボ部品等）600億円(3.4兆円）

ロボット（ｱｸﾁｭｴｰﾀ等）1,000億円(1.9兆円）

金型工具8,000億円（約8兆円）

補修部品（自動車・航空機・建材部品）210億円（約4兆円）

金属積層造形プロセス

による市場規模

部品単価

社会実装化が先行しつつある市場


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３、特許論文分析：特許

総件数は中国が5割近く。特に2013年から急激に増えていることが分かる。

中国は大学からの出願が多い。米国は実用化に注力した企業による出願が多い。

7

順位

機関発表数

1 GE（米国） 842 UNITED

TECHNOLOGIES（米国）

68

3 DESKTOP METAL（米国）

63

4 HP（米国） 465 UNIV SOUTH

CHINA TECH.（中国華南理工大学）

32

5 UNIV HUAZHONGSCI TECHNL（中国華中科技大学）

32

5 SIEMENS （ドイツ）

32

5 UNIV BEIJINGS&T（中国北京科技大）

32

9 UNIV XI ANJIAOTNG （中国西安交通大学）

26

10 UNIV JILIN（中国吉林大学）

22

出典：NEDO 技術戦略研究センター作成（201８）

国別特許シェア

金属積層造形技術分野特許出願年推移出願機関位ランキング

全件数：7782件


8

３、特許論文分析：論文

総論文数では米国がリード、米国と中国が2014年頃から急伸。

研究機関としては中国と米国が上位を占める。シンガポールにも注目。

順位

機関発表数

1 CHINESE ACADSCI（中国）

182

2 PENN STATEUNIV（米国）

138

3 NANYANGTECH.UNIV. （星南洋理工大学）

136

4 UNIVHUAZHONG SCITECHNL （中国華中科技大学）

116

5 GEORGIA INSTTECNL.（米国）

111

6 OAK RIDGE NATLLAB.（米国）

92

7 TSINGHUA UNIV（中国清華大学）

90

8 NORTHWESTERNPOLITEC UNIV（米国）

87

9 INDIAN INSTTECHNL（米国）

85

10

OHIO STATEUNIV（米国）

84出典：NEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

国別論文シェア

金属積層造形技術分野論文発行件数年推移発表機関上位ランキング

全件数：8735件


9

４、国内外の動向：プロジェクト

各国とも国が力を挙げて推進。日本はTRAFAM、SIPで関連する研究を主導。

欧米ならびに中国は人財育成（3Dプリンタに親しむ）に力を入れている。

9出典：「新ものづくり研究会」報告書（2014）を基にNEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

国別論文シェア

諸外国の取り組み例（全材料）国取り組み、プロジェクト例予算規模内容人材育成

米国 National Additive Manufacturing Innovation Institute（America Makesに改称）

3000万ドル(国防省）4000万ドル(企業、州)

・3Dのパイロット拠点・材料データベース構築・次世代装置、造形プロセス・モデリングシミュレーションツール

1000近い学校に3Dプリンタなどを設置

欧州

ドイツ

Direct Manufacturing Research Center

約14億円(2013年）

・設計ルール、コスト分析、リペア、複雑形状、材料開発、強度評価等産学官で研究・Fraunhofer研究所、Paderborn大学拠点で金属3D技術開発

職業訓練校に3Dプリンタ等の教育の場を提供

英国

Manufacturing Technology Center高付加価値製造カタパルト

約60億円

239億円（総額）

・産学連携拠点・AM実用化研究・Arcam社装置を活用・Rolls-Royce,AirBus等が参画

100近い学校に3Dプリンタを導入、授業に使う

中国 3Dプリンタ技術産業連盟 - ・国、大学、企業による共同出資・清華大、北京航空航天大等が参画

一部の学校で3Dプリンタを使う授業を開始

シンガポール

RIE2020計画約30億円（南洋理工大）他、500億円/5年投資予定

・南洋理工大に研究センター立ち上げ(2014)・防衛用Al、Cu合金、ハイブリッド構造等を研究

台湾レーザー積層造形産業クラスター

- ・3次元積層造形向けのレーザー技術、積層造形産業用アプリケーションの研究を促進

日本 TRAFAMSIP

62億円（総予算）・粉末床溶融結合、レーザーデポ法等・世界最高水準の装置開発・異方性カスタマイズ技術開発等


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５、技術課題：各用途ごとの現状と課題

各用途共通の課題として、品質、コスト等が挙げられる

出典：各種技術情報を基にNEDO 技術戦略研究センター作成（2018）

用途部品例現状課題

航空宇宙

エンジン部品航空機部材

海外のOEMとしての立場であり、設計の自由度が低い（エンジン部）構造材のデポジション法は可能性大

造形品の品質（強度など）設計技術、造形コスト

発電タービン部品（ノズル、ブレード等）

自社設計のため。自由度が高い日本は発電プラント技術が強い

造形品の品質（強度など）高耐熱材料での実現難溶接材料での実現設計技術、造形コスト

医療インプラント（人工関節、人工骨、歯）

薬価点数をコントロールできない（医療費削減の影響）

造形品の品質（強度など）造形条件最適化の期間安全性品質検査材料管理・コスト造形コスト

オートモーティブ

吸気部品、冷却や部品日本として最も裾野が広く、市場も大きいコストと量産性の壁が他用途と比べ高い

造形品の品質（強度など）設計技術、造形コスト量産性

金型・工具冷却機構ある金型、ドリル裾野が広く、設計に強みを活かすことができる日本は金型産業が強い

造形品の品質（強度など）大型化による割れ、歪耐摩耗性向上設計技術、造形コスト

補修航空機エンジン、建機部品デポジション法は可能性大対象が明らか

造形品の品質（強度など）低コスト材料での造形技術造形コスト

メタマテリアル

電磁波遮蔽、吸収、共振器など

3次元で積層の周期構造が作製できる最適な方法機械的強度等は不要

精度向上微細化（適用波長拡大）電磁波最適化設計技術


NEDOの取り組み/平成31年度新規事業

出典：経済産業省ホームページ(2018)

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