こちらのページでは、金属3Dプリンティング技術のひとつである指向性エネルギー堆積法（DED）について解説しています。簡単に言えば、レーザーや電子ビームなどで金属製の材料を溶融させ、造形トレイや既存の部品上に堆積させ造形していくというやり方。もたらされるメリットや留意すべき点などをまとめています。
英語では“Directed Energy Deposition”と言い、頭文字を取って「DED」の略称が用いられています。粉末やワイヤー状となっている金属製の材料をレーザーや電子ビームなどで溶融させ、目的の場所に堆積させて造形させていくという方式になります。
指向性エネルギー堆積法（DED）に用いる装置は多軸アームにノズルを装備した方式が一般的。5軸ないし6軸の装置を用いれば、材料をほぼ全ての角度から堆積させられるため、従来のやり方では困難だった形状の再現や補修が可能になる点が、大いに注目されています。
造形時は、3Dデータをもとに堆積ヘッドの移動経路を設定し、母材や造形部分へ熱エネルギーを集中させて溶融池を形成します。そこへ金属粉末または金属ワイヤーを供給して溶融・凝固させ、層を重ねながら目的の形状を作ります。
レーザーやアークを熱源とする方式では不活性ガス、電子ビームを熱源とする方式では真空環境が一般的です。造形物に求める寸法精度や表面品質によっては、造形後に切削や研磨、熱処理、検査などを組み合わせる場合があります。
指向性エネルギー堆積法は、使用する熱源と、粉末・ワイヤーといった材料の供給形態によって分類できます。代表的な熱源には、レーザービーム、電子ビーム、アーク・プラズマがあります。
| 種類 | 主な熱源 | 主な供給材料 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| レーザーDED | レーザービーム | 金属粉末または金属ワイヤー | レーザーで局所的に溶融池を形成し、材料を供給しながら積層します。新規部品の造形だけでなく、既存部品への形状追加や部分補修にも利用されます。 |
| 電子ビームDED | 電子ビーム | 主に金属ワイヤー | 一般的には真空環境で材料を溶融・堆積します。装置や造形環境が大がかりになるため、対象部品の大きさや設備条件を含めた検討が必要です。 |
| アークDED | アーク・プラズマ | 主に金属ワイヤー | アークの熱でワイヤーを溶融・堆積します。比較的高い堆積速度を得やすく、大型部品の造形に用いられますが、要求精度によっては切削などの後加工が必要です。 |
関連する名称として、LMDはレーザーを利用するDEDを指す呼称のひとつです。LENSはOptomec社が展開するレーザーDED技術の名称、WAAMはワイヤーとアークを使用する方式として知られています。名称だけでは使用する熱源や材料を判断できない場合もあるため、装置を比較するときは、熱源、材料形態、造形環境、対応サイズ、後加工の必要性を確認しましょう。
上記の通り、指向性エネルギー堆積法（DED）は溶融させた金属素材を専用装置で目的の場所に直接堆積させることで造形を行うという方式。スピーディーかつ効率的、複雑な形状にも対応できるという特色により、以下のようなメリットが期待できます。
DEDは材料を造形箇所へ直接供給できるため、部品全体を新しく作るだけでなく、既存部品への形状追加や局所的な補修にも利用できる点が特徴です。造形途中で供給する材料を切り替えれば、位置によって材料組成を変えた部品や、異なる材料を組み合わせた構造も検討できます。
ただし、異種材料を組み合わせられるかどうかは、材料同士の相性、熱膨張差、割れや欠陥の発生、装置の材料供給機構などに左右されます。複数材料を使用する場合は、試験造形や品質評価を行い、用途に必要な性能を確認することが重要です。
上記のようなメリットが期待できる反面、指向性エネルギー堆積法（DED）には留意しなければならない点やデメリットも存在しています。導入を検討するにあたっては、以下のポイントもしっかり踏まえた上で、慎重に検討することが求められます。
DEDによる造形品質は、レーザーなどの出力、移動速度、粉末やワイヤーの供給量、積層間隔、シールド条件など、複数の条件に影響されます。条件が適切でない場合は、層間や造形部分に空隙が生じたり、母材への溶け込みや造形形状が安定しなかったりする可能性があります。
そのため、装置価格だけで導入可否を判断せず、造形条件の設定、材料管理、後加工、品質検査までを含めた工程全体を確認する必要があります。高い寸法精度が求められる部品では、あらかじめ切削代を設け、DEDによる造形後に機械加工で仕上げる方法も検討されます。
金属3Dプリンターの代表的な方式には、指向性エネルギー堆積法のほかに、粉末床溶融結合法であるPBFがあります。DEDとPBFでは、材料の供給方法や得意とする造形が異なるため、部品の大きさ、形状、必要精度、補修の有無を踏まえて選ぶ必要があります。
| 比較項目 | 指向性エネルギー堆積法 | PBF |
|---|---|---|
| 材料の供給方法 | 造形箇所へ金属粉末または金属ワイヤーを直接供給する | 造形エリアに敷いた粉末を選択的に溶融・結合する |
| 主な材料形態 | 金属粉末、金属ワイヤー | 金属粉末 |
| 造形速度とサイズ | 比較的高い堆積速度を得やすく、大型部品にも対応しやすい | 造形槽の大きさによる制約を受けるが、細かな形状を造形しやすい |
| 寸法精度と表面 | 表面が粗くなりやすく、切削や研磨を前提とする場合がある | 一般的にDEDより細かな形状を再現しやすいが、用途によっては後加工が必要 |
| 既存部品への付加 | 既存部品への肉盛り、補修、形状追加に利用できる | 通常は造形プレート上で新しい部品を造形する |
| 向いている用途 | 大型部品、部分補修、表面への機能付加、形状追加 | 複雑形状、微細形状、内部流路などを持つ新規部品 |
DEDとPBFのどちらかが一律に優れているわけではありません。大型部品や既存部品の補修ではDED、細かな形状や複雑な内部構造を重視する場合はPBFが候補になります。実際の選定では、使用材料、造形可能サイズ、要求精度、後加工、検査、製造数量を含めて比較しましょう。
先にご紹介した特性やメリットにより、指向性エネルギー堆積法（DED）は「付加価値の高い工程」に特に適していると言えるでしょう。例えば既存部品の補修や再製造、長期の使用によって摩耗してしまった製造金型の補修などに効果を発揮。とりわけ空気抵抗による摩耗が激しい航空機部品の補修に大きな期待が寄せられています。
新規の試作品作成においても、スピーディー化や効率化などはもとより、異種金属を組み合わせた試作品作成や、その接合部を強化するなど、従来の溶接や切削では難しかった事例への適用が進んでいます。
金属加工には、切削、鋳造、鍛造、溶接など複数の方法があります。指向性エネルギー堆積法（DED）は、それらを一律に置き換えるのではなく、必要な箇所へ金属材料を付加するという新たな選択肢です。
既存部品の補修や形状追加、大型部品の造形などに活用でき、用途や生産条件によっては、部品の再製造や製造工程の効率化につながります。一方で、装置導入費、造形条件の調整、後加工、検査まで含めた検討が欠かせません。必要な造形サイズ、材料、寸法精度、表面品質を整理し、PBFや切削など、ほかの加工方法と比較した上で選びましょう。
外注待ちの長さ、ブレによるスピードの上げづらさ、大型・耐熱部品の作りにくさは、現場の生産性を下げます。 産業用（業務用）3Dプリンターを選ぶ際には、各課題解決に適した機能特徴を持つ製品を選ぶようにするとよいでしょう。ここでは、主な製造現場の課題別に、おすすめの製品を紹介します。
