材料試験業界全体が積層造形に注目しているようですが、これは材料試験にどのようなメリットがあるのでしょうか？MTS の専門家である Mike Shepard（博士）とMark Menzuber（修士）が、積層造形の基礎、3Dプリントとの違い、今後の材料試験にどのような影響を及ぼすかについて議論しています。
積層造形（AM）とは何か、そのメリットは？
Shepard 氏： 一言ではこの技術を正当に評価できませんが、積層造形は、デザインと製造に革命をもたらしています。この技術を用いると、広範囲で成長している積層造形法を用いて、立体描画から直接部品を作成することができます。成功事例では、従来の製造プロセスと比較しても遜色のない特性が得られます。この多様な技術は、金属、ポリマー、さらには複合材やセラミックにも適用可能です。一般的には、直接部品の層を一枚ずつ積み上げていきます。公差が厳しい部品や負荷のかかる部品は仕上げの機械加工や熱処理が必要な場合もありますが、場合によっては積層造形システムから取り出してすぐに使用することができます。
この技術のメリットは数えきれないほどたくさんあります。まず一つ目は、形状や構造を驚くほど自由にデザインできることです。設計者は、重量、熱伝導、スペースなどの特性を最適化することができます。二つ目は、材料の使用という点では、非常に効率的なことです。大きな金属の塊を小片に変えて、小さくて複雑な部品を作ることはありません。積層造形が「原材料の重量が製品に占める割合」に優れていると言われるのはこのためです。つまり、購入した材料のほとんどが、小片や鉄くずになるのではなく、実際に部品になるということです。また、供給プロセスも大幅に短縮することができます。複数の製造工程やベンダーを、複雑ではあっても一カ所で単一の製造工程に減らすことができる可能性があります。リードタイムの短縮や物流チェーンの統合など、物流面でのメリットは明らかです。
どのような業界の動向で AM のニーズが高まり、どの業界が AM の利用をリードしているのか？
Menzuber： 積層に取り組んでいる企業の多くは、さまざまな方法で軽量化や性能向上を実現できることに魅力を感じています。また、複数の製造工程を他の場所で行うのではなく、積層造形の現場を利用することで、供給プロセスを簡素化し、リードタイムを短縮できる可能性にも関心が高まっています。最後に、積層造形を利用すると、小・中規模の生産工程を新しい方法で効率化でき、より簡単に経済的なカスタマイズが可能になり、製品開発のタイムラインを短縮できます。
積層造形技術が成熟すると、かなりの影響力を持つ可能性があります。誰もが積層造形を検討していますが、私は航空宇宙や生物医学的利用に最もエネルギーと投資が集中すると考えています。こうした業界には、非常に付加価値の高い用途がありますが、数量は少ないか中程度です。これらの業界における応用は、高度に最適化され、広範囲に渡って試験を行う傾向があるため、積層造形のような新しい製造プロセスは、その価値ある提案が明確であれば統合することができます。自動車用用途も好調ですが、この業界ではコストを重視します。
3D プリントと AM の違いは何ですか？
Shepard 氏： これらの用語は、特に主流のメディアや消費者市場の分野では、いまだに同じ意味で使われています。私の考えでは、積層造形された部品は、一般的に最終用途に使用されると思います。部品が製品に使用されることになるため、AM には生産環境に適した堅牢なプロセスが必要であり、かなり効率的に完成させることができます。
ラピッドプロトタイピングの応用では、通常、こうした部品はあまり有効なではないかもしれません。強度はあまり高くなく、特性も不均一な可能性があります。この部品を実用化するには、特に負荷がかかる場合には注意が必要です。印刷工程自体はかなり時間がかかるかもしれません。そうは言っても、物理的なプロトタイプを迅速に入手できるので、設計エンジニアが部品の機能や他の部品との相互作用を理解するのに非常に役立ちます。また、この印刷したプロトタイプは、共同制作者や顧客にフィット感や機能を示すのにも非常に役立ちます。私は、3D CAD ソフトで作成する可視化の次のステップアップとして、この 3D 印刷プロトタイプを考えています。
MTS では積層造形を使用していますか？
Shepard 氏： ええ、そうですね。実は、MTS は 90 年代半ばから長い間積層造形に取り組んできました。我々は市場の一歩先を行ってましたが、多くのパートナーと協力して、航空宇宙品質の Ti-6Al-4V 部品の製造に成功するまでレーザー積層造形（LAM）プロセスを改良できました。それらの部品の中には、まだ F-15 に搭載されて飛んでいるものもあるかもしれません。この経験から、積層造形プロセスとそこから生み出される部品を適格だと判断するのに必要なこと、特に機械的なテストの側面について、非常に大きな洞察を得ることができました。
最近では、お客様がこの技術に興味を持っているのと同じ理由で、積層のデザインの可能性や効率性に期待しています。当社は社内に積層造形システムを備えており、ラピッドプロトタイピングや一部の生産部品に使用しています。カスタムシステムを設計する際、当社は研究開発プロセスの一環としてラピッドプロトタイピングを使用しています。3D CAD は素晴らしく、当社はそれを多用していますが、実際に部品を手に取り、それらがどのように組み合わさり、機能するかを確認するのが一番です。お客様にも感謝されています。新しい独自のシステムを設計する際には、操作の機械的概念を直接見ることができる実物大モデルまたはサブスケールモデルがあると本当に助かります。
また、少量で複雑な非耐荷重部品にも積層造形を採用しています。このような部品の場合、AM を利用するとコストの競争力が高まってリードタイムを短縮できるため、物流的にも非常に魅力的です。従来、これらの部品は複数の工程を経て製造されており、時には工場外の業者に依頼することもありました今では、コンポーネントのソリッドモデルをアップロードして、AM プロセスの設定に標準的な手法を適用し、部品が完成したらまた戻ってくるだけです。積層造形されたコンポーネントは、二次的な製造工程を経ることなく、そのまま製造工程に入ることもあります。
AM は材料試験にどう影響するのでしょうか？
Menzuber 氏： 重要な要素はいくつもあります。まず、積層造形されたコンポーネントから標準的な試験片を加工するのは難しいため、サブスケールの試験片を使用するか、別のタイプの試験を行う必要があるかもしれません。我々は、こうした変数の取り扱いに関して豊富な経験があります。当社では、負荷フレームや固定具を幅広く取り揃えており、適切に構成された試験片に適切なレベルの荷重を加えて、気になる特性を評価する際に役立ちます。また、お客様によって関心のあるテストの種類が異なり、さまざまな機能や価格に対するソリューションが必要になるという事実にも配慮しています。
また、積層造形プロセスの性質と、それが部品内の材料特性の均一性にどう影響するかも念頭に置いておく必要があります。一般的に、積層造形の最大の特徴は完成品または完成品に近い部品まで1層ずつ直接製造することです。比較的素材が均一な大きなブロックを作って、そこから部品を機械加工して作るのではありません。積層造形の層を積み重ねていくという性質上、材料の特性は必ずしも等方的ではなく、部品の方向によって均一ではありません。特に、通常 Z 方向と呼ばれる積層に垂直な方向の特性が最も注目されています。部品内の素材の均一性を確認するため、いくつかの追加テストを行う必要があります。また、特定の積層造形プロセスの成熟度に応じて、様々な処理パラメータが機械的特性に及ぼす影響を理解し、さらに生産の安全な処理領域を把握するため、テストを実行する必要があるかもしれません。これらのプロセスは非常に複雑で、非常に多くの変数を使用します。
試験片のテストは、積層製造プロセスの一環として特に重要です。複雑なビルドの前後に小さな試験片を構築して、システムが概ね予想通りの機能していることを確認できます。そのために最適な、小型で価格を抑えたシステムを取り揃えています。使い勝手がよく、積層造形システムの横に置いておくこともできます。これらのシステムでは、機械的特性の観点から良好な材料ができているかどうかを、すぐにフィードバックすることができます。コンポーネントから直接切り出した試験片により、プロセスの安定性とコンポーネントの品質をより直接的に示すことができます。
AM 試験片用の試験装置を選ぶ際の注意点は？
Shepard 氏： 論理的には、テストコミュニティは、既存の機器や標準化されたテスト方法をできる限り利用しようとしています。しかし残念なことに、積層造形された製品の材料特性は不均一な場合があります。こうして製造されたコンポーネントから、簡単に標準的な試験片を取得することができないことが多いのです。これは我々にとって楽しいで取り組んでいる挑戦です。当社は、負荷フレーム技術（油圧サーボ、電気機械、電気力学）や治具（グリップ、3 点曲げ、クレビスなど）の包括的なシリーズを取り揃えているので、サブスケールや珍しい試験片にも難なく対応できます。また、小規模なテストに適したサイズの負荷フレームも用意していますので、必要に応じてご利用ください。
必要なテストの種類に応じて、別の種類のシステムが最適な場合があります。最高レベルの性能と柔軟性を求めるのであれば、油圧サーボシステムが良いでしょう。これらは、特に疲労や破壊などの動的試験に適しており、引張試験などの定期的な試験も容易に行うことができます。お客様の中には、もっとシンプルな要求をお持ちの方もいらっしゃるでしょうし、引張試験ができればいいという方もいらっしゃるでしょう。このようなお客様には、電気機械システムが最適かもしれません。電気機械システムは非常に手頃な価格で、製造工程の一環として試験片のテストに適しています。
最近では、別の選択肢もあります。電気力学システムは動的性能が高いため、油圧ポンプは必要ありません。これは、特にクリーンな環境で動作させる必要がある場合や、初めてのテストである程度の動的機能は必要ですが、油圧装置ほどの複雑さや費用は避けたい場合に特に魅力的なシステムです。
MTS は積層造形コミュニティにどのように関わっていますか？
Menzuber 氏： まず、我々はこの技術のユーザーであり、長年にわたってこの技術分野に携わってきましたので、積層造形法に関連するメリットや課題について、経験から直接得た知識があります。2 つ目は、顧客との関係がとても密接なことです。顧客はそれぞれ、新しい素材やプロセスを製品に取り入れる独自の方法を持っており、当社は彼らと緊密に連携してサポートしています。これは、設計データの作成、材料モデルのパラメータ生成、試験片のテスト、そしてコンポーネントや実用規模のシステムのテストに至るまでサポートしているということです。3 つ目は、積層造形のテスト基準を策定している標準機構、特に ASTM や ISO との連携です。MTS がこうした機構に参加すると、試験に関する専門知識で技術コミュニティをサポートし、顧客のニーズや経験を引き出すことができるため、これは重要です。
積層造形（AM）とは何か、そのメリットは？
Shepard 氏： 一言ではこの技術を正当に評価できませんが、積層造形は、デザインと製造に革命をもたらしています。この技術を用いると、広範囲で成長している積層造形法を用いて、立体描画から直接部品を作成することができます。成功事例では、従来の製造プロセスと比較しても遜色のない特性が得られます。この多様な技術は、金属、ポリマー、さらには複合材やセラミックにも適用可能です。一般的には、直接部品の層を一枚ずつ積み上げていきます。公差が厳しい部品や負荷のかかる部品は仕上げの機械加工や熱処理が必要な場合もありますが、場合によっては積層造形システムから取り出してすぐに使用することができます。
この技術のメリットは数えきれないほどたくさんあります。まず一つ目は、形状や構造を驚くほど自由にデザインできることです。設計者は、重量、熱伝導、スペースなどの特性を最適化することができます。二つ目は、材料の使用という点では、非常に効率的なことです。大きな金属の塊を小片に変えて、小さくて複雑な部品を作ることはありません。積層造形が「原材料の重量が製品に占める割合」に優れていると言われるのはこのためです。つまり、購入した材料のほとんどが、小片や鉄くずになるのではなく、実際に部品になるということです。また、供給プロセスも大幅に短縮することができます。複数の製造工程やベンダーを、複雑ではあっても一カ所で単一の製造工程に減らすことができる可能性があります。リードタイムの短縮や物流チェーンの統合など、物流面でのメリットは明らかです。
どのような業界の動向で AM のニーズが高まり、どの業界が AM の利用をリードしているのか？
Menzuber： 積層に取り組んでいる企業の多くは、さまざまな方法で軽量化や性能向上を実現できることに魅力を感じています。また、複数の製造工程を他の場所で行うのではなく、積層造形の現場を利用することで、供給プロセスを簡素化し、リードタイムを短縮できる可能性にも関心が高まっています。最後に、積層造形を利用すると、小・中規模の生産工程を新しい方法で効率化でき、より簡単に経済的なカスタマイズが可能になり、製品開発のタイムラインを短縮できます。
積層造形技術が成熟すると、かなりの影響力を持つ可能性があります。誰もが積層造形を検討していますが、私は航空宇宙や生物医学的利用に最もエネルギーと投資が集中すると考えています。こうした業界には、非常に付加価値の高い用途がありますが、数量は少ないか中程度です。これらの業界における応用は、高度に最適化され、広範囲に渡って試験を行う傾向があるため、積層造形のような新しい製造プロセスは、その価値ある提案が明確であれば統合することができます。自動車用用途も好調ですが、この業界ではコストを重視します。
3D プリントと AM の違いは何ですか？
Shepard 氏： これらの用語は、特に主流のメディアや消費者市場の分野では、いまだに同じ意味で使われています。私の考えでは、積層造形された部品は、一般的に最終用途に使用されると思います。部品が製品に使用されることになるため、AM には生産環境に適した堅牢なプロセスが必要であり、かなり効率的に完成させることができます。
ラピッドプロトタイピングの応用では、通常、こうした部品はあまり有効なではないかもしれません。強度はあまり高くなく、特性も不均一な可能性があります。この部品を実用化するには、特に負荷がかかる場合には注意が必要です。印刷工程自体はかなり時間がかかるかもしれません。そうは言っても、物理的なプロトタイプを迅速に入手できるので、設計エンジニアが部品の機能や他の部品との相互作用を理解するのに非常に役立ちます。また、この印刷したプロトタイプは、共同制作者や顧客にフィット感や機能を示すのにも非常に役立ちます。私は、3D CAD ソフトで作成する可視化の次のステップアップとして、この 3D 印刷プロトタイプを考えています。
MTS では積層造形を使用していますか？
Shepard 氏： ええ、そうですね。実は、MTS は 90 年代半ばから長い間積層造形に取り組んできました。我々は市場の一歩先を行ってましたが、多くのパートナーと協力して、航空宇宙品質の Ti-6Al-4V 部品の製造に成功するまでレーザー積層造形（LAM）プロセスを改良できました。それらの部品の中には、まだ F-15 に搭載されて飛んでいるものもあるかもしれません。この経験から、積層造形プロセスとそこから生み出される部品を適格だと判断するのに必要なこと、特に機械的なテストの側面について、非常に大きな洞察を得ることができました。
最近では、お客様がこの技術に興味を持っているのと同じ理由で、積層のデザインの可能性や効率性に期待しています。当社は社内に積層造形システムを備えており、ラピッドプロトタイピングや一部の生産部品に使用しています。カスタムシステムを設計する際、当社は研究開発プロセスの一環としてラピッドプロトタイピングを使用しています。3D CAD は素晴らしく、当社はそれを多用していますが、実際に部品を手に取り、それらがどのように組み合わさり、機能するかを確認するのが一番です。お客様にも感謝されています。新しい独自のシステムを設計する際には、操作の機械的概念を直接見ることができる実物大モデルまたはサブスケールモデルがあると本当に助かります。
また、少量で複雑な非耐荷重部品にも積層造形を採用しています。このような部品の場合、AM を利用するとコストの競争力が高まってリードタイムを短縮できるため、物流的にも非常に魅力的です。従来、これらの部品は複数の工程を経て製造されており、時には工場外の業者に依頼することもありました今では、コンポーネントのソリッドモデルをアップロードして、AM プロセスの設定に標準的な手法を適用し、部品が完成したらまた戻ってくるだけです。積層造形されたコンポーネントは、二次的な製造工程を経ることなく、そのまま製造工程に入ることもあります。
AM は材料試験にどう影響するのでしょうか？
Menzuber 氏： 重要な要素はいくつもあります。まず、積層造形されたコンポーネントから標準的な試験片を加工するのは難しいため、サブスケールの試験片を使用するか、別のタイプの試験を行う必要があるかもしれません。我々は、こうした変数の取り扱いに関して豊富な経験があります。当社では、負荷フレームや固定具を幅広く取り揃えており、適切に構成された試験片に適切なレベルの荷重を加えて、気になる特性を評価する際に役立ちます。また、お客様によって関心のあるテストの種類が異なり、さまざまな機能や価格に対するソリューションが必要になるという事実にも配慮しています。
また、積層造形プロセスの性質と、それが部品内の材料特性の均一性にどう影響するかも念頭に置いておく必要があります。一般的に、積層造形の最大の特徴は完成品または完成品に近い部品まで1層ずつ直接製造することです。比較的素材が均一な大きなブロックを作って、そこから部品を機械加工して作るのではありません。積層造形の層を積み重ねていくという性質上、材料の特性は必ずしも等方的ではなく、部品の方向によって均一ではありません。特に、通常 Z 方向と呼ばれる積層に垂直な方向の特性が最も注目されています。部品内の素材の均一性を確認するため、いくつかの追加テストを行う必要があります。また、特定の積層造形プロセスの成熟度に応じて、様々な処理パラメータが機械的特性に及ぼす影響を理解し、さらに生産の安全な処理領域を把握するため、テストを実行する必要があるかもしれません。これらのプロセスは非常に複雑で、非常に多くの変数を使用します。
試験片のテストは、積層製造プロセスの一環として特に重要です。複雑なビルドの前後に小さな試験片を構築して、システムが概ね予想通りの機能していることを確認できます。そのために最適な、小型で価格を抑えたシステムを取り揃えています。使い勝手がよく、積層造形システムの横に置いておくこともできます。これらのシステムでは、機械的特性の観点から良好な材料ができているかどうかを、すぐにフィードバックすることができます。コンポーネントから直接切り出した試験片により、プロセスの安定性とコンポーネントの品質をより直接的に示すことができます。
AM 試験片用の試験装置を選ぶ際の注意点は？
Shepard 氏： 論理的には、テストコミュニティは、既存の機器や標準化されたテスト方法をできる限り利用しようとしています。しかし残念なことに、積層造形された製品の材料特性は不均一な場合があります。こうして製造されたコンポーネントから、簡単に標準的な試験片を取得することができないことが多いのです。これは我々にとって楽しいで取り組んでいる挑戦です。当社は、負荷フレーム技術（油圧サーボ、電気機械、電気力学）や治具（グリップ、3 点曲げ、クレビスなど）の包括的なシリーズを取り揃えているので、サブスケールや珍しい試験片にも難なく対応できます。また、小規模なテストに適したサイズの負荷フレームも用意していますので、必要に応じてご利用ください。
必要なテストの種類に応じて、別の種類のシステムが最適な場合があります。最高レベルの性能と柔軟性を求めるのであれば、油圧サーボシステムが良いでしょう。これらは、特に疲労や破壊などの動的試験に適しており、引張試験などの定期的な試験も容易に行うことができます。お客様の中には、もっとシンプルな要求をお持ちの方もいらっしゃるでしょうし、引張試験ができればいいという方もいらっしゃるでしょう。このようなお客様には、電気機械システムが最適かもしれません。電気機械システムは非常に手頃な価格で、製造工程の一環として試験片のテストに適しています。
最近では、別の選択肢もあります。電気力学システムは動的性能が高いため、油圧ポンプは必要ありません。これは、特にクリーンな環境で動作させる必要がある場合や、初めてのテストである程度の動的機能は必要ですが、油圧装置ほどの複雑さや費用は避けたい場合に特に魅力的なシステムです。
MTS は積層造形コミュニティにどのように関わっていますか？
Menzuber 氏： まず、我々はこの技術のユーザーであり、長年にわたってこの技術分野に携わってきましたので、積層造形法に関連するメリットや課題について、経験から直接得た知識があります。2 つ目は、顧客との関係がとても密接なことです。顧客はそれぞれ、新しい素材やプロセスを製品に取り入れる独自の方法を持っており、当社は彼らと緊密に連携してサポートしています。これは、設計データの作成、材料モデルのパラメータ生成、試験片のテスト、そしてコンポーネントや実用規模のシステムのテストに至るまでサポートしているということです。3 つ目は、積層造形のテスト基準を策定している標準機構、特に ASTM や ISO との連携です。MTS がこうした機構に参加すると、試験に関する専門知識で技術コミュニティをサポートし、顧客のニーズや経験を引き出すことができるため、これは重要です。
