ワイヤアーク AM-切削複合化による 3 次元冷却管を有する
大型精密金型の高能率造形
金沢大学 設計製造技術研究所
助教 山口 貢（2020 年度 奨励研究助成（若手研究者枠） AF-2020035-C2）
キーワード：アディティブ・マニュファクチャリング，指向性エネルギ堆積法，ワイヤアーク AM

１．研究の目的と背景るとともに，ワイヤアーク AM と切削加工の複合プロセス

世界的な CO2 排出規制の導入と燃料価格高騰の影響を受け，軽量化を目的に航空機や自動車の構造材料として炭素を提案し，金属 AM において難形状である四角形の断面形状を有する冷却管の造形を検討した結果を報告する．

繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク （ Carbon Fiber ReinforcedPlastic: CFRP）の採用が拡大されてきている．ダイス鋼など通常の工具鋼（線膨張係数: 12.5×10− 6/K）を CFRP

２．実験方法
2・1

実験装置およびライン造形実験

成形用の金型材料に適用した場合，CFRP の熱膨張特性（線造形実験には，5 軸立形マシニングセンタに溶接トーチ

膨張係数: 1.0×10− 6/K 以下）との違いに起因して成形部が付帯されたハイブリッド複合加工機（ヤマザキマザック

品の寸法精度が悪化する．すなわち，CFRP と同等の熱膨株式会社: VARIAXIS j-600/5X AM）を用いた．本装置は電張特性を有するインバー合金を金型材料に適用すること

流，電圧の変化に伴いワイヤ供給速度が自動で制御されるで，高い寸法精度の成形部品の製造が可能となる．しかし仕様である．電流，電圧，ワイヤ供給速度の関係を図１にながら，大型・複雑形状の金型製作では削り出しによる材示す．ワイヤ材料にはφ1.2 mm のインバー合金（ニッコ料ロスが多いことに加え，インバー合金は高価かつ難削材ー熔材工業株式会社: IN-36NbM），基材には 150 mm×150 mmであるため製造コストが高くなることが課題である．その×10 mm のステンレス合金（SUS316L）を用いた．造形条ため，ニアネットシェイプに付加加工が可能な金属材料を件を表１に示す．電流を 75～238 A，電圧を 8～14 V，ワ用いたアディティブ・マニュファクチャリング（AM）がこ

イヤ供給速度を 2～12 m/min，送り速度を 500～2000

れらの課題を解決する手法として期待されている．

mm/min に変化させ，Ar シールドガスをワイヤの同軸上に本 研 究 は ， 金 属 AM の 中 で 指 向 性 エ ネ ル ギ 堆 積 法

流量 15 L/min で供給しながら造形を行った．初めに，造（Directed Energy Deposition: DED）に分類されるワイヤ形時のアークの挙動や金属ワイヤの溶滴移行現象を高速アーク AM を対象とする．本手法はアーク放電を利用し，供度カメラを用いて観察するとともに，これらのプロセスパ給する金属ワイヤ先端を局所的に加熱して溶滴を形成させ，ラメータが造形最小単位であるライン造形物の形態変化母材上に積層させることで 3 次元形状を得るプロセスであにおよぼす影響を調べた．得られた造形物の形状は，形状る．アーク溶接と異なり溶滴の積層を繰り返すため，造形測定センサ（オプテックス・エフエー株式会社，LS-100CN）

物内部への蓄熱に起因して溶融状態が変化し，造形物の形を用いて測定し，造形物の断面プロファイルから高さと幅1)状精度を悪化させる要因となる ．ワイヤアーク AM は他のを評価した．

金属 AM と比較して造形効率に優れ，大型部品を短時間で造形できる特長を有しているが，入熱の制御や管理が難しく，組織の不均一さによる強度異方性など 3），実用化に向けて

151215電圧ワイヤ供給速度12

ここでは，低い線膨張係数を有する Fe-36wt%Ni インバー合金をワイヤアーク AM に適用し，造形時のアークの挙電圧, V解決すべき課題が多い．
996633

動や金属ワイヤの溶滴移行現象を含む造形プロセスを系統立てて整理するとともに，主なプロセスパラメータである電流，電圧，ワイヤ供給速度，送り速度がライン造形物の形態変化におよぼす影響を調べた．また，冷却管を有する CFRP 成形用金型の製作への適用を目的として，加工テーブルのチルト角度がオーバーハング構造の造形精度におよぼす影響を調べた．さらに，中空構造を有する冷却管モデルの角度やサイズが造形精度におよぼす影響を調べ

050

図１100150電流, A

2000250電流，電圧，ワイヤ供給速度の関係

ワイヤ供給速度, m/min

造形物内部の気孔に起因した機械的強度の低下や 2），金属造形条件

プロセスパラメータ
電流 [A]
電圧 [V]
ワイヤ供給速度 [m/min]
送り速度 [mm/min]
シールドガス
ガス流量 [L/min]
金属ワイヤ
材質
直径 [mm]
基材
材質
寸法 [mm] × [mm] × [mm]2・275 - 238
8 - 142 - 12
500 - 2000
Ar15Fe-36wt%Ni
1.2θ

図３

中空構造を有する冷却管の造形モデル
30SUS316L
150 × 150 ×10

断面プロファイル
近似直線25高さ, mm

表１オーバーハング構造の造形実験

オーバーハング構造の造形モデルを図２に示す．造形モ201510デルは基材とのなす角度が 60°である．加工テーブルのチルト角度がオーバーハング構造の造形精度におよぼす

5影響を調べるため，電流を 101 A，電圧を 8.6 V，送り速00度を 500 mm/min に固定し，チルト角度を 0°，30°に変図４化させて造形を行った．K 型熱電対を用いて造形物表面の造形角度

5101520
距離, mm2530

造形角度の評価方法

温度を測定し，室温まで冷却した後に次層を造形するプロ
セスを 10 層繰り返した．層毎の造形物の断面プロファイ

また，ワイヤアーク AM と切削加工の複合プロセスによルを形状測定センサを用いて取得し，輪郭線を重ね合わせり，金属 AM において難形状である四角形の断面形状を有ることで，造形モデルに対する形状誤差を評価した．

する冷却管の造形を検討した．まず，φ6 mm のエンドミ
ルを用いて基材に 4 mm の深さの溝加工を行い，異なる厚さのステンレス合金板材を基材上に固定した．その後，電測定領域

造形位置

造形物

基材流，電圧，ワイヤ供給速度を変化させて板材上に造形を行った．得られた造形物をワイヤ放電加工機を用いて切断し，サンドペーパで研磨した後，板材や基材の溶け込み形状，冷却管の断面形状を評価した．

高さ

60°
チルト角度 30°

図２オーバーハング構造の造形モデル

３．実験結果3・1

溶滴移行形態およびライン造形物の造形特性

造形時の溶滴移行サイクルの一例を図５に示す．ワイヤ先端からアークが発生した直後（図５a），アークは勢いを2・3

中空構造を有する冷却管の造形実験

中空構造を有する冷却管の造形モデルを図３に示す．角度θに傾斜させた直線と造形物断面の輪郭線の交点に，次層の造形物中心が重なるようにモデルを設定した．造形条
件は，電流を 101 A，電圧を 8.6 V，送り速度を 500 mm/min，層間の冷却時間を 60 s に固定し，角度θを 50～70°，サイズ w を 10～20 mm に変化させたときの造形角度の実測値と目標値に対する誤差を評価した．造形角度の評価方法を図４に示す．形状測定センサを用いて造形物の断面プロフ
ァイルを取得し，ベースプレートとのなす角度を造形角度として評価した．

増すとともに（図５b），ワイヤ先端に溶滴が形成される（図５c）．ワイヤの送給により，溶滴は溶融池と短絡し（図５d），溶融金属の液柱が形成された後，溶滴は溶融池に吸収される（図５e）．溶滴が脱離した直後，ワイヤ先端からアークが再発生する（図５f）．造形中はこれらのプロセスが繰り返され，造形条件によらず溶滴移行形態は全て短絡移行であった．
電流，送り速度を変化させたときのライン造形物の高さと幅の変化を図６に示す．電流を高く，送り速度を低くするにつれて，造形物高さ，幅は増加した．電流が 75 A，送り速度が 2000 mm/min の条件では，造形物高さと幅は共に 1.0 mm であった．一方，電流が 238 A，送り速度が 500mm/min のとき，高さが 3.0 mm，幅が 7.1 mm の造形物が得

(b)

(a)

(c)

方向
送り

ワイヤ

溶滴溶融池
アーク点弧

アーク点弧

1 mm(a) 0 ms

溶滴形成

1 mm(b) 1 ms(c) 3 ms(e)(d)

1 mm(f)ワイヤ
溶融金属液柱短絡

溶滴離脱1 mm(d) 6 ms
図５

アーク再点弧1 mm(e) 10 ms
造形時の溶滴移行サイクルの一例られた．これらの結果は，ライン造形物の形状は造形条件

1 mm(f) 11 msが少なく，造形プロセスが安定したためと考えられる．

によって著しく異なり，適用する部品サイズ・形状に合わ

3 軸制御による造形プロセスでは，NC プログラミングがせて適切な条件を選定する必要があることを示している．

容易であることが利点である．そこで，チルト角度が 0°の条件で造形精度の向上が可能な補正プロセスを検討し

3・2

オーバーハング構造の造形特性た．図９に示すように，1 層目の造形物の中心位置を原点

チルト角度を変化させたときのオーバーハング構造物として，基材とのなす角度が 60°の直線を作成し，そのの断面形状の比較を図７に，外観の比較を図８に示す．図直線と層毎の造形物の輪郭線とを重ねることで，2 層目以中の白色プロットは，層毎の（目標）造形位置を示してい降の造形位置を算出した．補正プロセスを適用して得られる．チルト角度が 0°の条件では，造形モデルの中心（図た造形物の断面形状を図１０に示す．図７（a）の補正な中実線）に対して造形物の輪郭線が 5 層目から傾いており，しの結果と比較して，造形モデルに対して造形物の輪郭線

目標の造形位置に造形ができていない．一方，チルト角度中心の差異が小さく，目標の造形位置に正確に造形ができが 30°のとき，層毎の造形位置と造形物の輪郭線が概ねている．これらの結果は，層毎の造形物の輪郭線に基づい重なっている．チルト角度が 30°の条件では，溶融池下て造形位置を補正することで，造形物の形状精度を向上で部に既造形物が存在することで重力による造形物の垂れきることを示している．
10583

幅, mm

高さ, mm

4

送り速度:
500 mm/min
1000 mm/min
1500 mm/min
2000 mm/min

26421050

送り速度:
500 mm/min
1000 mm/min
1500 mm/min
2000 mm/min

100150電流, A

200

250

050

100150電流, A(a) 高さ(b) 幅
図６ 電流，送り速度の違いによるライン造形物の高さと幅の変化

200250

2525

造形位置

造形位置
20高さ, mm

高さ, mm201510515105

チルト角度: 0°0051015距離, mm

図７20

チルト角度: 30°

250051015距離, mm

2025(a) 0°(b) 30°チルト角度の違いによる造形物の断面形状の比較

5 mm

図８5 mm(a) 0°(b) 30°
チルト角度の違いによる造形物外観の比較
2512

造形位置
60°直線
4層目造形位置

63層目造形位置

2層目造形位置

31層目中心線

基材表面

312

図９3・3151050-30高さ, mm

高さ, mm

92069距離, mm

15補正プロセス

中空構造を有する冷却管の造形特性

造形モデルの角度を変化させたときの中空構造物の造形角度の変化を図１１に示す．図中の R 軸は，目標値に対00

図１０

チルト角度: 0°(補正あり)
51015距離, mm

2025

補正後の造形物の断面形状均一な三角形の断面形状が得られており，これらの結果は従来の切削加工では創成が不可能な流路形状の創成が可能であることを示している．

する造形角度の誤差を示している．角度を小さくするにつ断面形状が四角形の冷却管の一例を図１４に示す．金属れて，目標値に対する誤差は増加した．造形モデルの角度

AM において水平方向のオーバーハング形状(角度 90°)はが小さい条件では，オーバーハング形状に起因して形状乱最も造形が難しいが，切削加工との複合プロセスにより冷れが大きくなることが要因と考えられる．

却管上面に形状乱れのない良好な断面形状を得ることが造形モデルのサイズを変化させたときの中空構造物のできた．しかしながら，基材上に配置した板材の適切な溶造形角度の変化を図１２に示す．モデルサイズを大きくすけ込み形状を得るために中空構造の中心部と周辺部で造るにつれて，目標値に対する誤差は増加した．モデルサイ

形条件を適宜調整した．これらの結果は，ワイヤアークズが大きくなるにつれて積層回数が増加するため，層間のAM の特長を活用し，部分的に溶け込みを制御することで冷却時間が一定の条件では造形物内部への蓄熱に起因し異なる部材上に造形が可能であることを示しているが，板て形状乱れが大きくなることが要因と考えられる．

材の大きさや厚みによって熱容量や熱伝導性が変化して断面形状が三角形の冷却管の一例を図１３に示す．図は，造形モデルの角度を 60°に設定したときの結果である．

溶け込み形状に影響するため，材料特性を考慮した造形条件の選定が必要であり，これらは今後の研究課題である．

860640420250

図１１60角度 θ, deg

070

角度の違いによる造形角度の変化

造形角度, deg

80010角度θ: 60°

造形角度
目標値に対する誤差

サイズw: 15 mm

目標値に対する誤差, %造形角度, deg

10010造形角度
目標値に対する誤差

808606404202010

図１２造形物

15サイズ w, mm

目標値に対する誤差, %100020サイズの違いによる造形角度の変化

造形物
中空構造

中空構造

基材

5 mm

5 mm

図１３三角形の断面形状の冷却管

図１４四角形の断面形状の冷却管

４．結論

謝

辞

低い線膨張係数を有する Fe-36wt%Ni インバー合金をワ

本研究は，今後も継続して実施する予定である．本研究イヤアーク AM に適用し，電流，電圧，ワイヤ供給速度，を遂行するにあたり，公益財団法人天田財団のご支援を頂送り速度がライン造形物の形態変化におよぼす影響を調いたことに深く感謝申し上げます．

べた結果，ライン造形物の形状は造形条件によって著しく異なり，適用する部品サイズ・形状に合わせて適切な条件参考文献を選定する必要があることが明らかになった．また，加工

1) 1)D. R. Corradi et al., Effect of Magnetic Arc

テーブルのチルト角度がオーバーハング構造の造形精度

Oscillationにおよぼす影響を調べた結果，溶融池下部に既造形物が存

multi-layer walls and the process stability in wireonthegeometryofsingle-pass

在するように基材の設置角度を調整することで，重力によand arc additive manufacturing, J. Mater. Process.

る造形物の垂れが少なく，造形プロセスが安定することがTechnol., 283 (2020) 116723.

明らかになった．3 軸制御により造形を行うとき，層毎の2) 2)R. Biswal et al., Interrupted fatigue testing

造形物の輪郭線に基づいて造形位置を補正するプロセス

with periodic tomography to monitor porosityを適用することで，造形物の形状精度を向上できる．さら

defects in wire + arc additive manufacturedに，中空構造を有する冷却管モデルの角度やサイズが造形

Ti-6Al-4V, Addit. Manuf., 28 (2019) 517-527.

精度におよぼす影響を調べた結果，モデルの角度が小さく，

3) C.V.

Hadenetal.,

Wireandarc

additive

かつサイズが大きくなるにつれて造形精度が悪化するこ

manufactured steel: Tensile and wear properties,とが明らかになった．

Addit. Manuf., 16 (2017) 115-123.