金属細線供給型 3 次元積層技術を用いた精密造形加工システムの開発
金沢工業大学 機械工学科教授 森本 喜隆（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017227）
キーワード：3D プリンタ，ファイバーレーザ，金属細線供給

１．研究の目的と背景供給を同時に行うことで，所望の形状の積層を行う．本研

従来の金属部品の製作は，鋳造や鍛造などの型を利用す

究では，積層装置の設計・製作と最適な溶融・積層条件のる変形加工や，切削加工や研削加工などの除去加工によっ検討を行い，レーザを用いた金属細線の溶融・積層法の確て行われている．これに対し，近年，型を使わず必要な部立を目的とする．

分のみを付加して製品を製造する付加加工が注目を集めている．3D プリンタでの積層は付加加工の一種であり，２．レーザを用いた金属細線の溶融・積層法

変形加工や除去加工では不可能な中空構造や一体成型の2・1製作を可能とする．現在の 3D プリンタの金属積層造形に

図 1 に本研究で開発した溶融・積層装置を示す．溶融・は，主に粉末焼結方式とデポジション方式が用いられてい積層装置は大きく分けて，ベースプレート，金属細線を溶る(1)．粉末焼結方式はステージ上に敷き詰めた金属粉末に融させるレーザ装置，金属細線を供給するワイヤ送り装置，溶融・積層装置

レーザ照射することで造形する手法で，デポジション方式

ベースプレートを移動させる X-Y テーブルの三つの要素

はレーザ照射と金属粉末の供給を同時に行うことで造形からなっている．ワイヤ送り装置，X-Y テーブルの駆動にする手法である．しかし，各積層方式では積層材料として

は OMRON 社製の 50W サーボモータ R88M-K05030H-S2

金属粉末を使用しているため，紛体爆発や作業者の金属粉を使用する．また，コントローラには NJ501-1500 を使用末の吸い込みといった問題が懸念される．また，金属粉末しており，これらを制御するプログラミングソフトとしてを交換する際には，使用していた金属粉末を完全に除去す

OMRON 製 の オート メー シ ョンソ フト ウ ェア Sysmacる必要があるため，メンテナンス性が悪いといった欠点もStudio を使用する．表１にレーザユニットの仕様を示す．

ある．
これに対して本研究では，保守性の高い積層法として，

2・2

溶融・積層法

レーザを用いた金属細線の溶融・積層法に着目する．本手本研究で提案する溶融・積層法では，テーブル上のベー法は，小径の金属細線を使用し，レーザ照射と金属細線のスプレートにレーザを照射し，形成した溶融池に金属細線を供給させ，テーブルを移動させることで金属細線の溶

表１

レーザ発振器の仕様融・積層を行う．また，テーブルの動作方法として，溶接分野で活用されているウィービング動作を用いる．これにより，ベースプレート表面に熱を溜めることができ，安定した溶融池の形成が行えると考える．
2・3

実験方法および実験条件

金属細線の溶融実験では，使用材料として ϕ0.2mm のスズ細線を使用した．使用材料としてスズを選定した理由
としては，融点が低く，レーザ出力や送り速度などの実験パラメータを大きく振れることや，酸化の影響を受けにくいこと，安価で入手しやすいことが挙げられる．
本実験では，前節で述べた溶融・積層装置を用いて金属細線の溶融可否を確認した．表 2 に金属細線の溶融実験の実験条件を示す．
2・4

実験結果

図 2(a)に光ファイバ伝搬方式の実験結果，図 2(b)に直接
図１

溶融・積層装置の概要

照射方式の実験結果を示す．両図より，光ファイバ伝搬方

式では金属細線の溶融は確認できないが，直接照射方式で焦点外し量による溶融状態の比較実験では，図 3 に示すは金属細線の溶融は確認できる．また，直接照射方式ではように金属板の上面を基準に上方向に+0.5mm，下方向に金属細線の切断が確認できた．レーザ熱加工は，発熱した−0.5mm を上限とし，0.1mm ずつ焦点を外して溶融実験

熱源の強度，照射時間などによって，材料は段階的に熱伝を行った．表 3 に焦点外し量による溶融状態の比較実験の導現象の段階，溶融現象の段階，蒸発現象の段階などを経実験条件を示す．て蒸発に至る．このことから，直接照射方式では溶融現象

ウィービング動作による溶融状態の比較実験では，ウィの段階に留まらず，蒸発現象の段階まで進んでしまい，金ービング速度およびウィービングの変位を変化させて溶属細線が切断されたと考える．

融実験を行った．表 4 にウィービング動作による溶融状態

光ファイバ伝搬方式において金属細線の溶融が確認での比較実験の実験条件，図 4 に実験の模式図を示す．図 5

きなかった要因として，加工点におけるパワー密度の不足に示すテーブル送り方向はウィービング動作中におけるが考えられる．各方式のパワー密度の理論値は，光ファイテーブルの送り方向であり，ウィービング動作中における8.0×104W/cm2 ， 直 接 照 射 方 式 は単位時間当たりのテーブル送り方向の変位をテーブル速バ伝搬方式は3.0×107W/cm2 であり，光ファイバ伝搬方式は直接照射方度とする．

式の 1/375 倍である．また，光ファイバ端面にはレーザによる損傷が見られた．これより，光ファイバ伝搬においてレーザ損失が生じていると分かる．このことから，加工点におけるパワー密度が理論値より低下し，金属細線の溶融に至らなかったと考える．
以上のことから，本研究では金属細線の溶融方式として，直接照射方式が適切であると考える．
図３

３．金属板の溶融条件の検討

表３

焦点外し距離の定義

レーザ照射条件と焦点外し距離

3・1

実験方法および実験条件
本研究では，金属細線を積層するにあたりベースとなるベースプレートの溶融に焦点を置き，金属板の溶融実験を行った．金属板の溶融実験では，焦点外し量による溶融状態の比較実験と，ウィービング動作による溶融状態の比較実験を行い，金属板（スズ板）の溶融状態を観察した．
使用材料としてスズを選定した理由としては，融点が低く，レーザ出力や送り速度などの実験パラメータを大きく振れることや，酸化の影響を受けにくいこと，安価で入手しやすいことが挙げられる．

表２ 溶融実験条件

図４
表４２軸移動テーブルを用いたウィービング動作(a) Optical fiber irradiation(b) Directirradiation
図２ 金属細線の溶融状態

レーザ照射条件とウィービング動作条件

0.057s

Y position [mm]

0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0.00.51.01.52.0X position [mm](a) Laser power 15 W(b) Laser power 20W
Weaving speed 300 mm/min,Weaving stroke X+0.1 mm, Y±0.1 mm)
図７ 表面溶融状態の観察結果(a) 相対移動距離 X+0.1mm, Y±0.1mm

0.045s

Y position [mm]

0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
0.02
0.00
0.0

0.5

1.0

1.5

2.0(a) Laser power 15 W(b) Laser power 20W
Weaving speed 300 mm/min,Weaving stroke X+0.05 mm, Y±0.1 mm)
図８ 表面溶融状態の観察結果

X position [mm](b) 相対移動距離 X+0.05mm, Y±0.1mm
図５ウィービング動作の軌跡(a) Laser power 15 W(b) Laser power 20W
Weaving speed 350 mm/min,Weaving stroke X+0.1 mm, Y±0.1 mm)
図９ 表面溶融状態の観察結果
外し量+0.1mm の実験結果，図 6c)に焦点外し量−0.1mmの実験結果を示す．図 6 より，焦点外し量 0mm および焦(a) Defocus distance
0 mm(b) Defocus distance+0.1 mm

点外し量−0.1mm の条件では，金属板が蒸発していることが確認でき，焦点外し量+0.1mm の条件では，金属板が溶融していることが確認できる．金属板の溶融・蒸発は焦点外し量±0.2mm までは確認できたが，焦点外し量±0.3mm 以降は確認できなかった．また，焦点外し量 0mm
では激しい加工音と共に金属板の蒸発が見られたが，焦点を外すにつれて加工音は小さくなり，蒸発現象の段階から溶融現象の段階へと変化していった．
レーザ加工では，焦点を外すにつれて加工点でのビーム径は大きくなり，パワー密度は低くなる．そのため，焦点を外すにつれて蒸発現象の段階から溶融現象の段階へと(c) Defocus distance-0.1 mm
図６ 表面溶融状態の観察結果変化していったと考えられる．また，蒸発現象の段階から溶融現象の段階へと変化するにつれ，加工音は小さくなると考えられる．以上のことから，本研究で使用するレーザ装置は，焦点におけるパワー密度が高く，金属板を蒸発さ3・2

焦点外し量による溶融状態の比較

図 6(a)に焦点外し量 0mm の実験結果，図 6(b)に焦点せることが容易であることが確認できた．これより，金属細線の溶融に適した溶融池の形成には，ある一定量の焦点外しが必要であると考える．

図 10 より，全ての条件においてレーザ出力の増加に伴い，熱影響幅は増加していることが分かる．また，熱影響3・3

ウィービング動作による溶融状態の比較

幅の増加値は，レーザ出力 10~25W において 0.06~0.1mm

図 7 にウィービング速度 300mm/min，ウィービング変であった．これは，レーザ出力の増加に伴い，材料に作用位 X+0.1mm，Y±0.1mm の実験結果（条件①），図 8 にウする熱エネルギーが増加したためだと考えられる．本研究ィービング速度 300mm/min，ウィービング変位 X+0.05mm，では，ϕ0.2mm の金属細線（スズ細線）を使用し，溶融池Y±0.1mm の実験結果（条件②），図 9 にウィービング速度の熱により溶融を行う．そのため，溶融池の幅は金属細線350mm/min，ウィービング変位 X+0.1mm，Y±0.1mm の実の直径以上が好ましいと考える．しかし，溶融池の幅が大験結果（条件③）を示す．

きすぎると溶融・積層済みの金属細線に熱影響が及び，形溶融実験より，条件①，③では 10W，条件②では 9W から金属板の溶融が始まった．また，条件①，③では 17W，状精度が低下する．これより，ウィービング動作の Y 方向の変位は±0.1mm が適切であると考える．

条件②では 15W を超えると加工音が生じ，徐々に金属板の蒸発が見られた．また，図 5～7 を比較すると，同一出力において条件②，条件①，条件③の順で溶融・蒸発現象

４. 結言

本研究で得られた結論は以下の通りである．

が確認できる．各条件におけるテーブル速度は，条件①は(1) 本研究で使用するレーザ装置は，焦点外し量-0.2～3.5mm/s，条件②は 2.2mm/s，条件③は 4.1mm/s であり，+0.2mm で金属板の溶融が可能である．

テーブル速度が遅いほど，ある領域におけるレーザ照射時(2) レーザ照射時間によって溶融・蒸発現象の過程は異な間が長くなる．前述したように，同一出力において条件②，り，テーブル速度 2.2mm/s では 9W，テーブル速度条件①，条件③の順で溶融・蒸発現象が確認できる．これ

3.5mm/s, 4.1mm/s では 10W から金属板の溶融は始まる．

より，レーザ照射時間が長いほど溶融・蒸発現象が見られ(3) レーザ出力の増加に伴い，材料に作用する熱エネルギると考える．また，レーザ照射時間によって溶融・蒸発現ーは増加し，熱影響幅は増加する．

象の過程は異なると考える．

(4)得られた知見ならびに特許第 6583771 号を基に，CNC複合加工機に，この機能を実装し，金属ワイヤを供給しな

3・4

ウィービング動作による熱影響幅の比較

がら 3 次元造形が可能な工作機械の実用化を目指す．

図 10(a)にウィービング変位 Y±0.1mm での各条件におけるレーザ出力と熱影響幅の関係，図 10(b)にウィービン
グ変位 Y±0.15mm での各条件におけるレーザ出力と熱影響幅の関係を示す．

謝辞

本研究は，一部，公益財団法人天田財団平成 29 年度一般研究開発助成助成番号：AF-2017227 の支援を受けました．記して謝意を表します．
本研究に関する研究業績
1)吉⽥悠哉，森本喜隆，林晃⽣，「⾦属ワイヤ供給型３Ｄプリンタの開発」，電気加⼯学会全国⼤会 2019．
2)吉⽥悠哉，森本喜隆，林晃⽣，「⾦属ワイヤ供給型３Ｄプリンタの開発」，⽇本機械学会北陸信越⽀部第 57 期総会・講演会，2020
3)特許第 6583771 号，⽴体造形装置，2019(a) Weaving stroke Y±0.1 mm

参考文献
1)京極秀樹，池庄司敏孝，“図解金属 3D 積層造形の基礎”，
日刊工業新聞社，(2017)，p.22．
2) 日本塑性加工学会：粉末成形―粉末加工による機能と形状のつくり込み―，コロナ社，(2018)，p.83．
3) 清水透：金属 3D プリンティングにできること－世界に一つだけのものづくり－，産報出版株式会社，(2016)，
pp.58-59．
4) 田中建：金属ワイヤ供給型 3D プリンタの開発，平成 28(b) Weaving stroke Y±0.15 mm
図１０ レーザ出⼒と熱影響幅との関係

年度金沢工業大学修士学位論文，(2016)，pp.1-44．