金属3Dプリンターの強度を徹底解説！設計から加工までの最適手法
- 合同会社HANDA
- 6月20日
- 読了時間: 15分
▶︎1. 金属3Dプリンターの強度とは？
1.1 金属3Dプリンターの基本的な仕組みと強度の定義
金属3Dプリンターは、金属粉末を層状に積み重ねて立体物を造形する技術です。
一般的にはレーザーや電子ビームを使って粉末を溶融し、徐々に形を作り上げていきます。
金属3Dプリンターの「強度」とは、引張強度や硬度、疲労強度など、外力にどれだけ耐えられるかを示す指標です。
一般的な金属加工では、鍛造や切削によって部品を作りますが、3Dプリントでは材料が一層ずつ形成されるため、積層方向によって性質が変わるのが特徴です。
以下のような点で強度に影響があります。
使用する金属材料の種類
造形方式（PBF、DEDなど）
積層方向とその密着性
造形後の処理（熱処理、HIP処理など）
たとえば、ある素材では積層方向と垂直方向で引張強度が20%以上異なることもあります。造形時のパラメータ設定が最適でないと、積層の継ぎ目が弱点になる可能性があるため、事前の設計と造形条件の調整がとても重要です。
こんな失敗が多いです。
積層方向の考慮をせず設計し、部品の強度不足を引き起こす
適切な材料を選ばず、必要な耐久性を得られない
造形後の後処理を怠り、内部欠陥が残ったままになる
これらの対策としては、材料特性を事前に調べて選定し、造形方向を力のかかる方向に合わせる、そして必ず後処理（熱処理や機械加工など）を組み合わせることが効果的です。
忙しい現場では、こうした工程を省略してしまいがちですが、結果的にトラブルの原因になります。最初の設計段階から「どの方向に力がかかるのか」「どう加工すればその力に耐えられるのか」を意識しておくことが、強度の高い製品づくりに欠かせません。
1.2 従来工法との強度比較：鋳造・鍛造・切削との違い
従来の金属加工法と比べたとき、金属3Dプリンターの強度はどうなのでしょうか？
一般的な傾向として、以下のような特徴があります。
工法 | 特徴 | 強度の傾向 |
鋳造 | 溶けた金属を型に流し込んで成形 | 内部に気泡が入りやすい |
鍛造 | 金属を叩いて圧縮しながら成形 | 密度が高く強度が高い |
切削 | 金属ブロックを削って加工 | 高精度で均一な強度 |
金属3Dプリント | 金属粉末を溶融・積層 | 積層方向で強度差が出る |
金属3Dプリンターの強度は、鍛造や切削と比べるとまだ劣るケースもあります。
ただし、設計自由度が高く、軽量化や複雑形状の実現が得意なため、トータルでのパフォーマンスでは優位になることもあります。
とくに航空機部品や医療機器では、従来工法では作れなかった軽量で強度のある形状を実現できるため、強度そのもの以上に「設計と材料のマッチング」が重要視されています。
注意点としては、以下のような誤解から適用ミスが起きることです。
どの方向から力が加わっても均一な強度だと考えてしまう
鍛造品のような一体成形が可能だと思い込んでしまう
金属だからどんな部品にも使えると思ってしまう
金属3Dプリントは非常に柔軟で便利な技術ですが、従来工法とは明確に異なる特徴があります。「3Dプリンターだから万能」という考えではなく、「どんな特徴があり、どう活かすか」を理解することが、失敗しない導入の鍵です。
▶︎2. 材質別に見る金属3Dプリンターの強度特性
金属3Dプリンターの性能は、使用する材料によって大きく変わります。各材料にはそれぞれ特性があり、用途に応じて最適な選定が求められます。ここでは、代表的な金属材料の特徴と強度面での違いを紹介します。
2.1 チタン合金（Ti-6Al-4V）と純チタン（Grade-2）
チタン合金（Ti-6Al-4V）は、軽量でありながら非常に高い強度を誇る金属です。
引張強度は約900〜1,200MPaに達し、耐腐食性にも優れています。航空機部品や医療用インプラントに使われることが多く、金属3Dプリンターとの相性も抜群です。
一方、純チタン（Grade-2）は強度こそ合金に劣りますが、生体適合性に優れており、主に医療分野や化学設備に適しています。
こんな失敗が多いです。
高強度を求めてTi-6Al-4Vを選んだが、加工後の脆性が問題になる
熱処理を行わずに造形し、十分な靭性が得られなかった
生体適合性を重視する用途で、合金と純チタンを混同してしまう
対策としては、用途に応じて材料特性を正確に把握し、後処理（焼なましやHIP処理）を適切に行うことが不可欠です。
2.2 ニッケル基合金（インコネル718・625）
インコネル718や625といったニッケル基合金は、高温環境に強く、耐酸化性と強度を両立する材料として知られています。
特にインコネル718は、700℃近い温度でも高い引張強度（約1,200MPa）を維持できるため、ジェットエンジン部品やタービンブレードなどに使われています。
しかし造形中のひずみが大きく、反りや割れが起きやすいため、造形パラメータの最適化や下地処理が必須です。
主な注意点はこちらです。
冷却速度が速すぎると内部応力が高くなり、ひび割れや変形が発生
焼きなまし処理を怠ると、靭性が極端に低下する
金属粉末のリサイクル使用で酸素含有量が上がり、品質が不安定に
高温での使用を前提にした部品には適していますが、造形の難易度は比較的高いため、経験豊富なオペレーターの存在が重要です。
2.3 ステンレス鋼（SUS316L）とマルエージング鋼
SUS316Lは、耐腐食性に優れたオーステナイト系ステンレスで、金属3Dプリンターでも非常によく使われる材料です。
引張強度は約600〜700MPa、延性も高く、食品機器や医療機器、工業部品など幅広く使用されています。3Dプリント後の仕上がりも安定しており、扱いやすい素材のひとつです。
対して、マルエージング鋼（18Ni300など）は、高強度・高硬度を誇る特殊鋼で、熱処理によって引張強度が2,000MPaに達することもあります。
この材料は、金型や工具など強度が最重要視される用途に向いていますが、熱処理プロセスが複雑で、管理を怠ると脆性破壊のリスクもあるため注意が必要です。
失敗しやすいポイントは以下の通りです。
造形直後のマルエージング鋼をそのまま使ってしまい、脆くて使えなかった
高温処理で寸法が変わることを見落とし、設計が合わなかった
SUS316Lの耐食性を過信し、腐食環境で早期に劣化した
材料の選定と同時に、使う環境と必要な処理工程をあらかじめセットで考えておくことが、失敗を防ぐカギです。
2.4 アルミ合金（Al-10Si-Mg）とコバルト基合金（CoCr）
Al-10Si-Mgは、軽量で熱伝導性に優れたアルミニウム合金で、部品の軽量化が求められる自動車や航空宇宙用途に活用されています。
引張強度は300〜400MPaと控えめですが、加工性が高く、大量生産向きです。熱処理によってさらに強度を高めることができます。
一方、コバルトクロム（CoCr）合金は、耐摩耗性と生体適合性を兼ね備え、歯科や人工関節などの医療分野で使われています。
この材料は非常に硬く、造形後の仕上げ加工が難しいという課題もあります。
よくある注意点は以下の通りです。
アルミ合金を薄肉構造に使いすぎて、強度不足に陥る
熱処理工程を省略して、必要な強度が出なかった
CoCr合金の仕上げ加工が困難で、コストが大幅に上がった
材料の特性だけでなく、後工程のしやすさやコストとのバランスを見ながら最適な選択をすることが重要です。
▶︎3. 造形方式と強度の関係
金属3Dプリンターには複数の造形方式がありますが、それぞれの方式によって得られる強度や仕上がりには大きな差があります。このセクションでは、代表的な3つの方式とそれぞれの強度的な特徴、注意点を詳しく解説します。
3.1 パウダーベッド方式（PBF）とその強度特性
PBF（Powder Bed Fusion）は、最も普及している金属3Dプリント方式のひとつで、高精度かつ高強度な造形が可能です。
レーザーや電子ビームを使って、金属粉末を一層ずつ溶かして積み重ねていくこの方式は、航空宇宙、医療、精密機械分野などで広く採用されています。
主な特徴はこちらです。
細かい構造や複雑形状でも高い寸法精度を実現
造形密度が高く、強度も鍛造品に近い水準
後処理（熱処理やHIP）によってさらなる強度向上が可能
ただし、こんな失敗も起こりがちです。
冷却時の内部応力により、反りや割れが生じる
レーザー設定のミスで焼結不良が起こり、脆い層が混在する
積層方向を無視して設計し、力のかかる方向に弱くなる
「設計段階から強度の方向を意識する」「焼結条件を細かく最適化する」ことで、高い信頼性が得られる方式です。
3.2 指向性エネルギー堆積法（DED）の特徴と強度
DED（Directed Energy Deposition）は、金属粉末やワイヤーを供給しながら、レーザーやアークなどで同時に溶かして積層していく方式です。
この方法は、大型部品の修理や肉盛り加工、複合材の形成などに適しています。
DEDの特徴は以下のとおりです。
造形スピードが速く、大型の構造物も対応可能
異種材料の接合も可能で、用途が広い
構造の一部だけを追加造形するような修復に最適
ただし、PBFに比べると以下の点で強度的な課題があります。
積層の表面が粗く、気孔が入りやすい
造形密度がやや低いため、靭性や疲労強度が劣る
形状精度が荒く、追加の機械加工が必須になる
特に以下のような失敗が多いです。
冷却条件の管理が甘く、造形中にひずみが蓄積する
材料供給が不均一になり、強度のバラつきが生じる
積層方向を考慮せず、応力集中部分が破断しやすくなる
大きな自由度がある一方で、強度面では後加工による補完が必要なケースが多いため、「強度設計＋加工工程」をセットで計画することが大切です。
3.3 バインダージェット方式（BJ）の利点と注意点
BJ（Binder Jetting）は、金属粉末にバインダー（接着剤）を噴射して積層し、造形後に脱脂・焼結処理を行って固める方式です。
この方式は、他の方式と比べて造形速度が速く、コストも比較的低いため、量産用途として注目されています。
主な特徴は次のとおりです。
造形が高速で、大量生産にも対応可能
バインダーで接着するため、サポート材が不要
複雑な内部構造の一括造形が得意
ただし、強度面では以下のような注意が必要です。
焼結後でも密度が95％前後にとどまり、PBFより低い
脱脂工程での寸法変化やひずみに注意が必要
構造によっては内部に気泡が残り、強度にムラが出る
こんな失敗が多いです。
焼結による収縮を見越した設計ができておらず、寸法が狂う
脱脂が不十分で、内部にバインダーが残って脆弱になる
細かすぎる構造で、焼結中に変形して破損する
BJ方式は「強度重視」よりも「コスト・スピード重視」の場面で活躍する方式です。
適材適所で使い分けることが成功のカギです。
▶︎4. 金属3Dプリンターの強度を高めるためのポイント
金属3Dプリンターで高い強度を実現するには、ただ材料や造形方式を選ぶだけでは不十分です。積層方向や熱処理、設計段階での工夫など、複数の視点からの対策が必要です。
ここでは、強度を引き上げるために欠かせない3つの重要なポイントを解説します。
4.1 積層方向と強度の関係
金属3Dプリンターでは、材料が一層ずつ積み重ねられて造形されます。
そのため、積層方向によって機械的特性、特に引張強度や靭性に差が出やすくなります。
横方向（XY軸）と縦方向（Z軸）で強度に20～30％の違いが生じることもあります。
たとえば、同じ部品でも垂直方向から引っ張る力に対しては破断しやすい傾向があります。これは層間の結合が完全でないことが原因で、気孔や微細な欠陥が間に入りやすいためです。
よくある失敗はこちらです。
積層方向を意識せずに設計し、応力集中で早期破損
試作では問題なかったが、量産時に方向を変えて強度が低下
部品を複数方向から使うのに、単一方向の強度しか考慮していない
解決策としては、以下の工夫が有効です。
使用環境で加わる主な力の方向を明確にし、それに対して強度が出る方向に積層を設定する
可能であれば、部品の設計を回転させて配置し、積層方向を調整する
強度が必要な部分に補強リブや肉厚を設けて対処する
積層方向を意識した設計は、後から修正が効かない重要なポイントです。
最初から「どの向きで造形するか」を意識しましょう。
4.2 熱処理や後加工による強度向上
金属3Dプリンターで造形された部品は、造形直後の状態では内部に残留応力が溜まっていたり、微細な欠陥が含まれている場合があります。
これを補うために行うのが、熱処理やHIP（Hot Isostatic Pressing）などの後加工です。
主な後加工の効果は以下の通りです。
熱処理：残留応力の除去、結晶構造の安定化
HIP処理：気孔の除去、密度の向上による引張強度・疲労強度の改善
機械加工：寸法精度や表面性状の向上、応力集中の緩和
しかし、こんな失敗もよくあります。
熱処理条件を誤り、逆に強度が低下してしまった
後加工を省略して出荷し、現場での破損が発生
HIP処理で形状が変形し、設計寸法と合わなくなった
後加工はコストや工程を増やしますが、強度を確保するためには不可欠なステップです。
計画段階でしっかりと組み込んでおきましょう。
4.3 設計段階での強度確保の工夫
最後に重要なのが、設計段階で強度を意識することです。
金属3Dプリンターは形状の自由度が高いため、強度を落とさずに軽量化したり、応力を分散させる構造を盛り込んだりといった工夫が可能です。
たとえばこんな設計上の工夫があります。
トポロジー最適化を活用し、最小質量で最大強度を実現
応力が集中する角部にはフィレットを設けて破損を回避
空洞構造やハニカム構造を使い、軽量かつ高剛性を実現
よくある設計ミスは以下の通りです。
従来の削り出し構造をそのまま流用し、3Dプリントの利点が活かせない
トポロジー最適化をしても積層方向を無視して強度が出ない
後加工を考慮せずに複雑すぎる形状を設計してしまう
3Dプリントに最適化された設計（DfAM: Design for Additive Manufacturing）を意識することで、無駄な重量や加工コストを抑えつつ、高強度な部品を実現できます。
▶︎5. 金属3Dプリンターの強度に関するよくある誤解とその真実
金属3Dプリンターの技術は急速に進化していますが、まだまだ一般的には誤解されていることが多いのが現状です。特に「強度」に関する認識のズレは、導入後のトラブルにつながる要因になりがちです。
ここでは、ありがちな誤解とその真実を丁寧に解説します。
5.1 「金属3Dプリンターは強度が弱い」という誤解
この誤解は非常に多く、「積層造形＝脆い」というイメージが先行しているケースがあります。しかし、実際には造形条件や材料、後処理を適切に行えば、引張強度が1,000MPaを超える部品も多数存在します。
特にPBF方式で造形されたTi-6Al-4Vやマルエージング鋼などは、鍛造品と同等の強度を実現できます。さらに、HIP処理を組み合わせれば内部欠陥をほぼ完全に除去できるため、疲労強度も大幅に向上します。
よくある失敗はこちらです。
造形直後の状態だけを見て「使い物にならない」と判断してしまう
一度失敗した経験から、金属3Dプリンターを避け続けてしまう
材料の選定や処理を省き、性能を引き出せなかった
正しいプロセスを踏めば、金属3Dプリンターでも高強度は十分に実現可能です。むしろ従来工法よりも自由度の高い設計で、最適な強度配置ができる点が大きなメリットです。
5.2 「すべての金属材料が3Dプリントに適している」という誤解
「金属なら何でもプリントできる」という考え方も、誤解のひとつです。
実際には、すべての金属材料が3Dプリントに適しているわけではありません。
たとえば、鋳造向けの一般的なアルミ合金や、一部の高炭素鋼は3Dプリントでは割れやすく、安定した造形が難しいです。また、粉末化が困難な素材や、酸化しやすいものも扱いにくい傾向があります。
よくある失敗は次のとおりです。
普段使っている素材をそのままプリント用に選び、造形失敗
材料供給メーカーのデータを鵜呑みにして性能を過信
使用環境と素材特性のミスマッチで、強度不足や腐食が発生
適切な材料を選ぶためには、「粉末化のしやすさ」「造形時の安定性」「後処理への対応性」をトータルで考慮する必要があります。
材料選定は、3Dプリント技術者や専門メーカーとしっかり相談しながら進めるのが成功の秘訣です。
5.3 「後加工なしでも高強度が得られる」という誤解
金属3Dプリンターは、「プリントして終わり」ではありません。
後処理をしないまま使用することで、強度不足や寸法不良、仕上げ精度の問題が発生するケースは非常に多いです。
以下のような処理が強度に直結します。
熱処理（応力除去・時効硬化）
HIP処理（高温高圧での緻密化）
機械加工（バリ取りや寸法調整）
特に高強度が必要な部品では、HIP処理によって疲労寿命が数倍に伸びる例もあります。
後加工を軽視したときの典型的な失敗は次の通りです。
コスト削減のために後処理を省き、早期破損を引き起こす
精度不足で組み付けできず、部品のやり直しが必要に
内部欠陥が残り、使い始めてすぐにクラックが発生
金属3Dプリントにおいて、後加工は「オプション」ではなく「必須工程」と考えるべきです。
▶︎6. まとめ：金属3Dプリンターの強度を最大限に活かすために
金属3Dプリンターは、形状の自由度、軽量化、複雑構造の実現など、従来の加工法では不可能だった領域を切り開く技術です。しかし、「ただ使えば高性能な部品ができる」わけではなく、強度を引き出すには複合的な知識と工夫が必要です。
ここまで解説してきたように、強度に関わる主なポイントは以下の5つです。
材料選定：適材適所の素材を選ぶ
造形方式：用途に合った方式を見極める
積層方向：力のかかる方向を意識して設計する
後処理：熱処理・HIP・加工を計画的に行う
設計手法：トポロジー最適化などで構造を最適化する
たとえば、「複雑な形状だけど高い強度が必要」という場合には、PBF方式でチタン合金を使用し、HIP処理で仕上げるのが理想的です。一方で、「軽量かつコスト重視」の用途では、アルミ合金とBJ方式の組み合わせが有効です。
要は、目的と用途に応じて、最適な「組み合わせ」を選ぶことが成功のカギになります。
また、強度に関しては誤解も多く、「3Dプリンターは弱い」「すぐ壊れる」といったイメージだけで判断すると、本来得られるはずの成果を逃してしまいます。
忙しい開発現場では、どうしても納期やコストに引っ張られがちですが、最初の段階で強度設計をしっかりしておくことで、後戻りの手間やトラブルを大幅に減らすことができます。
最後に、金属3Dプリンターを活用して強度ある製品づくりを目指すなら、信頼できるパートナー企業と連携することが非常に重要です。
設計・造形・後処理までトータルで支援してくれる企業を選ぶことで、専門知識がなくても安心して高性能な部品を生み出せます。
▶︎3Dプリンターで理想の造形を実現したい方へ
データ作成から出力まで、成功するためのポイントをしっかり押さえたガイドをご紹介します。
お困りの際は、ぜひ合同会社HANDAのサポートにお任せください。
Comments