ホットワイヤ方式によるワイヤ 3D 造形の高効率化
産業技術総合研究所 製造技術研究部門
主任研究員 瀬渡 直樹（平成 29 年度 重点研究開発助成 AF-2017203）
キーワード：ワイヤ供給型造形，ホットワイヤ，レーザ造形

１．研究の目的と背景
近年，金属でも 3D プリンタが実用化されてきており，金属粉末等を供給しながらレーザや電子ビームを照射しながら造形する加工が広がってきている 1-3)．特に金属ワイヤのような固体供給型の造形は，造形材料の供給密度を高くできるので，体積の大きな造形でも高速にできることが期待できる 4)が，ワイヤ溶融のためのエネルギーは熱源から与えるしかないので，高速な造形のためには強力なレーザ等が不可欠である．しかしながら，強力な大出力レーザ発振器は非常に高価であり，レーザの出力だけに頼る高速化/高効率化は実用的ではない．
一方，ワイヤと基板の間に電流を流して加熱するホットワイヤという方法でワイヤを溶接前に加熱して供給する技術は溶接で時々見かけられる手法 5-6)である．もし，ワイヤ供給型の造形においても，この方法でワイヤを供給することができれば，加工点にワイヤを高温な状態で供給できるので，レーザ等の熱源からワイヤ溶融のために供給すべきエネルギーを抑制でき，固体供給型造形の高速化/高効率化や，小さい出力のレーザでも固体供給型の造形を可能にできる，などの可能性が広がる．
そこで，本研究では，レーザを熱源としたホットワイヤ方式のワイヤ造形機を試作し，ワイヤ供給型 3D プリンタの造形性能の向上を図る．目標としては，すでに市販されている電子ビーム型ワイヤ造形機の造形能力 7)に匹敵す
る造形速度は 7 kg/hour 以上 を目標に開発する．
また，高温材料で直接造形の要望の高いインコネル合金での造形も行い，直線や四角，丸のような単純形状の造形で造形能力や精度の評価も行う．

２．実験方法
2・1

実験装置の概要

本研究で用いた実験装置の構成を図 1 に示す．レーザの照射部にワイヤが供給できるようにワイヤ供給口を保持できる造形用ノズルを新作し，それを通じてワイヤ供給機からワイヤが供給される．そして，ホットワイヤ電源およびワイヤ供給機は市販のものを調達し，図 1 のように接続して試験片とワイヤの間に電流を流した．
なお，3D 造形するためには，試験片上をワイヤ供給機能の付いた集光系が 3 次元に移動するか，試験片が固定されているテーブルが 3 次元に移動する必要がある．本研究では，試験片の側を XYZ 方向に動かせるように XYZ テーブ

図1

ホットワイヤ式ワイヤ造形機のレイアウト

ルを設置し，このテーブルとレーザ発振器，ホットワイヤ電源を制御して加工する制御コンピュータを通じて実験を行った．
本研究で用いた高出力レーザは連続発振で 4kW の YAGレーザで，焦点での集光径は 0.6mm である．また，ホットワイヤ電源およびワイヤ供給機は市販のもので，最大電流が 135A の交流電源である．供給するワイヤについては，材質がステンレス鋼とインコネル 718 であり，ワイヤの直径は 1.2mm のワイヤを供給して積層加工した．
加工実験の一方，加工点の挙動の観察においては，加工点の照明に可視光レーザを用いて，その波長が通過するバンドパスフィルタを付けたカメラで観察した．また，ホットワイヤのワイヤ温度の測定はサーモグラフィを用いてワイヤの温度変化を観察した．

３．研究成果／実験成果
3・1

ホットワイヤのワイヤ温度調査

ワイヤ供給型の積層加工は，前の積層の上に次の積層を重ねるため，前の層が安定に加工できることが特に重要である．そのため，第 1 層目の積層を安定に行うことが最も重要であるといえる．それはホットワイヤでも例外ではないので，ホットワイヤにすることによる効果や，ホットワイヤ時の温度分布，ホットワイヤ加工時のワイヤや溶融池の挙動など，ホットワイヤの効果を第 1 層目の積層で研究した．

まずは，ワイヤに電流を流し，加工点であるワイヤと試きることが確認された．これは，ホットワイヤでない場合験片の接点の温度をサーモグラフィで測定した．図 2 にその一例を示すが，試験片と接する点で 900～1200℃を達成した．なお，図中でワイヤが 6 の字のようになっているのは，通電中はワイヤが一定速度で供給されるため，それらが試験片と接する点の辺りでとぐろを巻いたからである．

図4

ホットワイヤによるワイヤ供給速度に比べて 2 倍以上のワイヤを供給できることと同じなので，造形効率の大幅な向上が期待できる結果である．
3・3

ホットワイヤの加工点での挙動調査

また，ホットワイヤで積層中の挙動について，ワイヤに電流を流さない場合と差異がないかを調べるため，ホットワイヤで加工中の加工点を高速度カメラで直接観察を行
図2

ホットワイヤの温度測定結果の一例った．

また，ホットワイヤ時の温度変化を調べたところ，図 3ワイヤに電流を流さない時の挙動を観察した例を図 5のような温度と時間の関係が確認され，このようなグラフに示す．このデータは本研究を始める前に確認した 8)ものから読み取れる昇温速度はワイヤに流す電流で異なるこであるが，特徴としては，ワイヤが加工点までワイヤのまとが確認された．電流が 30A では昇温速度は 142℃/秒だまで供給され，レーザの照射でワイヤが溶融して溶融池にったが，120A では 760℃/秒だった．したがって，積層に流れ込む状態が安定して継続することで造形されること合わせて電流の調整が必要であると考えられる．

がワイヤに電流を流さない時の挙動の特徴である．

図5
図3

ワイヤ電流 30A での温度変化データ

3・2

ホットワイヤのワイヤ供給限界調査

ワイヤ造形の場合，加工点でレーザが照射されてワイヤを溶融しながら造形をしていくので，ワイヤの供給が過剰になると，レーザによるワイヤの溶融が追い付かなくなり，積層ビードにワイヤが溶着する．そのため，加工中にワイワイヤ供給型造形中の溶融池近傍の挙動

一方，ホットワイヤで加工中の挙動を観察した結果を図6 に示す．この観察はワイヤ電流が 120A の時を観察したものであるが，電流を流さない時と同様にレーザが照射されている所へワイヤが途切れることなく供給され，レーザの照射によってワイヤが溶融して積層されていく挙動が安定的に継続する様子が観察された．なお，電流を流したことでワイヤが赤熱していたため，図 5 よりも図 6 ではワヤが試験片に溶着する速度を限界の供給速度とみなし，ホットワイヤによる加工限界の拡大を調べた．レーザ出力2kW で固定して，ワイヤ電流 0A と 120A の時の第 1 層目積層を比較した結果を図 4 に示す．ワイヤが室温で加工点まで供給される(ホットワイヤではない)電流 0A では，送り速度が 3m/min で限界(ワイヤ溶着)が確認されたが，ホットワイヤで供給されている電流 120A では，7m/min で供給してもまだ溶着が確認されなかった．この結果より，ホットワイヤによってワイヤの供給速度は 2 倍以上に向上で

図6

ホットワイヤで供給中の加工点での挙動と模式図イヤを視認しやすい．
このように，ホットワイヤ時の溶融池の挙動は，ワイヤに電流を流さない場合の挙動と同じであり，安定した挙動が続いていることが確認された．

3・5

造形テスト前の重大なアクシデント

大体積積層実験では，積層量が当初の想定より大きすぎてノズルのギャップを見直したが，これを修正したノズルを設計し，2 層目以降を積層する造形テストを開始した時

3・4

ホットワイヤによる大体積積層の試行に重大なアクシデントが発生した．

3.1～3.3 節の結果より，ホットワイヤ式のワイヤ造形積層実験中にレーザが発振しなくなるトラブルが起きは，加工点のワイヤ温度を 1000℃近くに上げることがでたため，加工ができなくなった．そのため，本研究を推進きること，ワイヤに電流を流さない場合に比べて供給できするために故障の原因を直ちに調査し，修理して復旧できるワイヤ速度が 2 倍以上に上げることが可能なこと，ワイるようであれば，復旧を試みた．その結果，YAG レーザをヤの溶融～積層の挙動はワイヤに電流を流さない場合と励起するための LD が複数，経年劣化によって損傷し，そ同様であることが明らかになった．これらの結果から，ホのため発振器内の YAG ロッドを焼損したための停止であットワイヤにする効果は，純粋にワイヤの温度を上げ，レることが判明した．このように発振器の心臓部に重大な故ーザがワイヤを溶融するために与えるエネルギーの量を障があり，修理が事実上不能であったため，レーザの復旧抑制する方向にのみ働いていることが確認された．

を断念した．

そこで，本節では，ホットワイヤ状態でワイヤの供給速

そこで，本研究で未だ実施できていない造形実験を行い，度を大きくして，高い造形速度を達成できるかを研究した．

研究を継続するために，故障したレーザの代替となるレー

提案時の目標として，「造形速度は 7kg/hour 以上を目指ザを研究所内で探索した．その結果，別件で導入中のレーす」と定めていたので，この目標値を超えるような高速大ザ加工機(最大出力が連続波で 2kW のディスクレーザの集体積積層ができるかを実験した．

光系を産業用ロボットがハンドルするもの)があったので，高速大体積積層を行うためにレーザの出力を 3kW に上げ，ホットワイヤの電流が 120A でワイヤの供給測速度も関係者に相談して，これをホットワイヤ造形ができるように改造して実験を継続することにした．

14m/min まで上昇させて第 1 層目の積層を試みた結果を図

このレーザ加工機の制御は，産業用ロボットのプログラ7 に示す．太い細いはあるものの，6mm 幅，5mm 高，74mm

ムでレーザの ON/OFF やガスの制御なども行うタイプだっ長の 1 層目を約 3 秒で作成できた．このビードを含む試験たので，ホットワイヤの供給/停止もこのシステム通じて片の全体の重さを測定し，試験片の長さ×幅×厚さ×密度行う形へ改造した．加工ノズルについても，ここまでのノで算出した基板の重さを引き算することで求めた造形部

ウハウを反映したノズルをレーザ加工機の集光系に合わ分の重さは 6.801g であった．したがって，造形部の重させたものに再設計して装着した．と造形時間から単位時間当たりの造形速度を計算すると，このようなレーザ加工機の改装と並行して，ロボットの8161.2g/h(8.1612kg/h)であることが確認された．この値

ティーチングや制御のためにロボットの操作習熟についは当初目標にしていた 7kg/h を十分超える速度であり，目ても造形実験に先行して実施した．

標を達成したと言える．

図 9 に造形実験のために改装したレーザと加工ロボッ
トの写真を示す．本機の主要部分は工業製品ベースである
ため，形状をなぞる精度や各種機器の ON/OFF の制御性能は，基礎実験をしていた自作ベースの機械よりも大幅に向上している．したがって，本機では，形状を伴う造形を中

図7

高速大体積積層検討の第 1 層ビード外観心に実験することにした．

なお，ワイヤ造形用ノズルと試験片の隙間は当初は 5mmを確保していたが，図 7 のような大体積積層の実験では条件によってはノズル底面が積層の頂上と干渉し，積層を押しつぶす場合もあった．図 8 にその一例を示すが，大体積造形にも対応させるためにノズルを改造し，試験片の隙間を 10mm に拡大した．

図9
図8

高速大体積積層時のノズル接触ビード外観例

造形実験用ホットワイヤ装置の駆動部と発振器

なく，良好な結果であった．なお，積層に要した時間は約
3・6

ホットワイヤ式の造形テスト

造形実験では，円筒の造形を試みた．円筒形状を選んだ
理由は，円筒には XYZ どの方向の運動も満遍なく含まれて10 分であった．この結果より，積層条件を適切に調整することで，ホットワイヤ式のワイヤ積層を安定に続けることが可能であることが確認された．

いるため，試作した加工機に加工方向依存性等があった場

なお，造形物表面の凹凸はパウダーベッド式 3D 造形や合には，その方向の加工だけ劣悪になるという形で明確に粉末噴射型の DED に比べると粗いため，造形のまま使うこ確認できるからである．積層条件を調整し，加工条件をレとができる例は限られると考えられる．また，造形物の周ーザ出力 2kW，スキャン速度 1.5m/min，ワイヤ電流 30A，囲には複数のスパッタが確認されている．これらは造形中ワイヤ送り速度 4m/min で直径 50mm の円筒を造形した際のに溶けたワイヤや溶融池の一部が液滴としてはじき出さ挙動を直接カメラでとらえた写真を図 10 に示す．

れた結果であり，ワイヤの脱線を含めて，これらの現象は造形に寄与しない材料の無駄である．これらを抑制できる加工の改良はこれからの課題である．また，レーザを集光させ，更に細いワイヤを使う等で，もっと細幅で精密な造形も期待できるが，それも今後の課題である．

４．結び
本研究では，ステンレス鋼とインコネルにおけるレーザを熱源としたワイヤ供給型金属積層をホットワイヤ化することによるワイヤ 3D 造形の高効率化を研究した．得られた主な成果を以下に示す．


本実験装置におけるホットワイヤの先端の温度は1200℃付近まで上がることが確認された．なお，昇温速度は，ワイヤに流す電流によって変わるこ

図 10とも確認された．

円筒積層実験中の様子

ホットワイヤとコールドワイヤを比較したところ，

写真の通り溶融金属の飛沫が時折飛び出すものの，ワイワイヤ先端の温度が低いコールドワイヤでは，ワヤは加熱された状態で安定的に加工点に供給され，そこでイヤの送り速度を上げるとすぐに溶着して加工不レーザによって溶融/積層が進んでいることが確認された．

能になったが，ワイヤ先端が高温なホットワイヤ

また，図 10 の赤熱している軌跡からも明らかなように，の場合は，コールドワイヤの 2 倍以上の送り速度レーザでなぞっている部分はきちんと円形の閉曲線であり，適正な軌跡で積層していることが確認できる．

で送っても加工ができることが確認された．


安定に加工できているホットワイヤ時の溶融池の図 10 の造形実験の結果，得られた造形の外観を図 11

挙動は，ワイヤが溶融池に静かに供給され，そこに示す．造形物の形状は図の通りきちんと円筒形になってでレーザによって溶融して積層になっていくことおり，積層加工が終始安定に進んでいたことがわかる．まが確認された．また，ワイヤが通電によって赤熱た，特定の方向だけ加工の品質が落ちる加工方向依存性もしていること以外はコールドワイヤの場合の挙動とよく似ていることも確認された．


高速に大容量を積層できるかを調べたところ，本装置では，積層速度は 8.16kg/h を出せることが確認された．この値は目標の 7kg/h を十分超えている．



造形実験の結果，きちんと円筒形状ができており，積層条件を適切に調整することで，ホットワイヤ式のワイヤ積層を安定に続けることが可能であることが確認された



なお，積層物の外観向上や加工の改善などは今後の課題である．

また，今回得られた主な結果から予想できるレーザを熱図 11

円筒積層実験結果の一例と積層中の様子源としたワイヤ供給型 DED の展望としては次のようなものがあると考えている．

開発”，レーザ加工学会誌，24

ホットワイヤにすることで 8.16kg/h を達成できて(2017)

いるので，レーザ熱源でも電子ビーム熱源のワイ

(1), p.53-55,

ヤ DED 装置に匹敵する高速大容積積層加工を実現

2)

https://www.nttd-es.co.jp/eos3d/できる可能性がある．

3)

佐藤 泰貴, 大槻 真嗣, 馬場 満久, 戸部 裕史, 石ホットワイヤにすることでワイヤの供給速度の上村 康生, 北薗 幸一, 竹澤 晃弘，“金属 3D プリン限が上がるので，ホットワイヤは個体供給型積層タにより造形した月惑星探査機用着陸衝撃吸収材

加工の高速化には最適な方法の一つと考えられる．の力学特性”，日本航空宇宙学会論文集，第 67 巻 6

また，ホットワイヤでは加工点にワイヤを高温状態で供給できるので，レーザの出力が小さい発振号，p. 218-224 ，(2019)4)

器でもワイヤを溶融/積層できる可能性がある．

小泉 雄一郎, 千葉 晶彦, 野村 直之, 中野 貴由，“金属系材料の 3 次元積層造形技術の基礎”，まてりあ，第 56 巻

謝 辞

5)

12 号，(2017)

堀 勝義, 渡辺 浩, 明賀 俊治, 草野 和喜，“ワイヤ加熱にパルス電流を用いたホットワイヤ TIG 溶

本研究は，公益財団法人天田財団の重点研究開発助成 Bにより遂行された．ここに記して関係各位に厚く御礼申し

接法の開発上げます．

溶接法の研究(第 1 報)－”
，溶接学会論文集，第 21巻

また，本研究の推進にあたって，数多くの議論や助言，装置開発時のご協力を賜りました産業技術総合研究所の

6)－パルス通電加熱ホットワイヤ TIG

3 号，(2003)

猪瀬幸太郎， 杉野友洋， 松本直幸， 大脇桂， 大

廣瀬伸吾博士および小木曽久人博士に，この場を借りて厚畑和夫，“レーザホットワイヤすみ肉溶接の開発とく御礼申し上げます．

都市高速橋梁への適用”，IHI 技報, Vol.52 No.1，
p.59-63，(2012)

さらに，平常から本研究に理解を示し，多方面でご協力いただきました積層加工システム研究グループの各位，な7)

らびに製造技術研究部門の各位に心より御礼申し上げます．

https://www.aichi-sangyo.co.jp/inquiry/news/n
ews_160301_sciaky.html

8)

Naoki

SetoandHiroshi

Sato,“DepositionConditions for Laser Formation Processes with

参考文献
1)

FillerWire”,

International

Journalof藤巻 晋平，和田 一輝，塩見 康友，大野 博司，岡Automation Technology (IJAT), Vol.10 No.6 pp.

田 直忠，“LMD 方式による高速金属 3D プリンタを

899-908, (2016)