金属3Dプリントは、この設計上の制約を変えます。レーザー粉末床溶融結合方式（LPBF）では、金属粉末をレーザーで選択的に溶融し、部品を一層ずつ積み重ねて造形します。これにより、従来の工具のアクセス制約を受けにくくなり、複雑な内部形状や相互に接続された構造を製造できる場合があります。しかし、重要なのは「造形できるか？」という問いだけではありません。「その形状を3Dプリントすることで、製造プロセス全体にどのような改善が生まれるか？」を考えることが重要です。

従来の切削加工が直面する形状上の制約

CNC加工は、高精度な表面加工や工具が届く形状、多くの量産部品の製造において、現在も優れた選択肢です。一方、曲線状の密閉された内部流路、複雑につながる内部空間、切削工具が届かない部分を持つ設計では、製造が難しくなることがあります。

例えば、曲線状の流路を加工するために、複数の直線穴を交差させて加工し、不要な開口部をプラグで塞ぐ場合があります。また、密閉された空洞を作るために、部品を2つに分割して加工し、後から密封接合する場合もあります。これらの方法が必ずしも間違っているわけではありません。重要なのは、形状を再設計することで、難しい加工工程や重要な接合部を減らし、後工程に新たな問題を生じさせずに済むかどうかです。

LPBFは別のアプローチを提供します。切削工具のアクセスを優先するのではなく、部品に求められる機能を中心に設計する方法です。この考え方は、積層造形向け設計（DfAM：Design for Additive Manufacturing）と密接に関係しています。

金属3Dプリントで検討したい4つの複雑形状

1. 曲線状の内部流路

内部流路を三次元的な曲線に沿って配置できることから、LPBFは特定の熱管理部品、流体マニホールド、金型製造におけるコンフォーマル冷却（随形冷却）などの用途で注目されています。その価値は、形状を複雑にすること自体ではなく、必要な位置に流路を配置できることにあります。

ただし、流路には造形可能な形状と寸法が求められます。また、未溶融粉末を排出する経路と、内部状態を確認する検査方法も必要です。粉末を除去できず、検査もできない密閉流路は、実際の生産に適さない可能性があります。

金属3Dプリントで製造された、複雑な曲線状の内部流路を持つ金属部品

2. ラティス構造とセル構造

ラティス構造は、単に目を引く模様を作るためのものではありません。材料の配置を最適化する必要がある場合に検討する価値があります。軽量化や剛性の調整などが期待できますが、実際の荷重条件や検証結果によって、その効果が裏付けられる必要があります。

形状の評価には、実際に加わる荷重と製造上の制約を考慮する必要があります。細い構造要素、残留粉末、表面状態、検査のしやすさは、ラティスのパターン自体と同じくらい重要になることがあります。

金属3Dプリントで製造された、さまざまなラティス構造とセル形状を持つ金属サンプル

3. 複雑な中空構造部品

部品の内部を中空にすることで、重量を減らしたり、内部に特定の機能を組み込んだりできます。一方で、中空部分に未溶融の金属粉末が残る可能性もあります。そのため、単に内部を空洞化できるかどうかだけでなく、残された壁の厚さ、粉末排出用の開口部、検査方法を含めて、その空洞が実際に有効かどうかを判断する必要があります。

設計自由度が高まる一方で、粉末を排出する経路の確保、除去できないサポート構造の回避、重要な内部表面に対する追加仕上げ加工の必要性なども検討しなければなりません。

多角形の開放空洞と薄い壁を持つ、金属3Dプリント製のセル構造

4. 部品の一体化と組立部品点数の削減

切削工具のアクセス制約によって、本来は一体で機能する構造を、加工可能な複数の部品に分割しなければならない場合があります。LPBFでは、こうした構造をより少ない部品に統合できることがあります。これにより、接合箇所や部品の取り扱い工程を減らせる可能性がありますが、製造作業全体が必ず減少するとは限りません。

部品の一体化が価値を生むのは、製造プロセス全体が改善される場合です。造形時間、粉末の取り扱い、熱処理、サポート除去、機械加工、検査、残りの組立工程を含めて評価する必要があります。

Thunder LaserのSLM方式による金属3Dプリントで製造された金属切断システム用部品

Thunder Laserの事例：金属切断システム用部品の再設計

Thunder LaserのSLMアプリケーションに関する社内資料では、金属切断システムに使用するコーン状部品の製造事例を紹介しています。従来の切削加工では3つの部品で構成されていた設計を、積層造形に適した2部品構成へと再設計しました。

この事例は、新しい製造方法の採用によって、部品の構造そのものを見直せることを示しています。ただし、3Dプリントがすべての部品で必ず高速または低コストになるという意味ではありません。製造時間やコストを比較する場合は、バッチサイズや後処理を含め、検証済みの同等条件に基づいて評価する必要があります。

ThunderのSLM関連資料には、複雑な中空構造やラティス構造のデモサンプルも掲載されています。こうした実物サンプルは、一般的なイメージ図よりも設計自由度を具体的に示すことができます。Thunderのチームが実際に検討してきた形状を通じて、技術的な考え方を説明できるためです。

設計自由度にも限界がある：確認すべき5つのポイント

造形方向とサポート構造：サポートにアクセスでき、造形後に取り除ける形で製造できるか？
粉末の排出：内部流路や密閉された空間から未溶融粉末を排出できるか？
熱的挙動：残留応力や変形が重要寸法に影響する可能性はないか？
表面品質と追加切削加工：接合面、ねじ部、シール面などに追加加工が必要か？
検査と品質確認：内部形状、寸法、材料特性をどのような方法で検証するか？

実用的な製造可否の判断方法：造形を始める前に、最もアクセスが難しい内部形状を特定し、そこから粉末を排出する方法を明確にしてください。また、追加切削が必要な表面と、その検査方法を決めておく必要があります。これらのいずれかが未解決であれば、CAD上で造形できそうに見えるだけでは量産に適した設計とはいえません。

こうした確認は、見た目の印象が強い試作品から、実際に機能する産業用部品へ移行する際に特に重要です。