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削除しないでください

3 次元金属積層造形におけるレーザ焼結
３次元金属積層造形におけるレーザ焼結
プロセスの可視化と高機能金型製造への応用
プロセスの可視化と高機能金型製造への応用


楢原
*
楢原弘之
弘之

H. Narahara
１．研究の目的と背景



３次元金属積層造形法は，機械加工では難しい複雑形状

金属部品の製造が容易であることから，近年，その技術に

対する期待が高まってきている．宇宙航空分野，医療分野，

そして生産分野での応用が考えられており，生産分野では



特に金型への応用が期待されている  ．



スキージ

材料供給
造形物

造形ステージ

元冷却管の配置がある  ．高精度な部品成形や成形時間短縮（ハイサイクル成形）が実現される．また別の応用とし

ては，金型内部の任意の箇所に通気構造が配置された通気性金型によって，成形不良の低減や  ，生産エネルギー スパッタ現象の省エネ化  が試みられている．



金属積層造形における現象
現象

内容でありレーザ焼結によって造形された後にエンドミル工

具によって高精度に表面を仕上げ加工するプロセスを繰 造形ひずみ現象

り返すことによって実現される．



３次元金属積層造形法は，従来の加工方法では成し得な



かった３次元冷却管や通気性金型を実現し，金型をさらに

高機能化するものとして生産プロセスへの大きな貢献を

今後果たしていくと考えられる．しかしながら，造形ひず 現象

焼結領域周辺での熱拡 • 不安定な寸法変化発生
散による溶融付着粉末 • 安全な切削パスによる空切削パによる寸法増加、表面スに伴う造形時間の増加
粗さの増大
微小空間での、粉体か • 形状変形を避けるための造形寸ら液体、バルク体へ相法への制約変化に伴う不均一な体 • 平面研削や後仕上げ加工の必要
積収縮の発生性の発生

３次元金属積層造形のレーザ焼結プロセスに対するメカ

ニズムの理解と，高精度化のための対策を明らかにしてい

くことが急務となっている  ．

表  各現象の影響要因の調査方法

余剰硬化現象造形ひずみ現象

影響要因の調査方法

高速度ビデオカメラで撮影、スパッタ飛散の状況を観察

複数のレーザ照射条件に基づきテストピース形状を造形し、余剰硬化の状況を顕微鏡で観察測定する。

複数のレーザ照射条件に基づきテストピース形状を造形し、ベースプレート下面に張り付けたひずみゲージにより、ベースプレートのひずみ量の変化を測定する。

そこで本研究では，３次元金属積層造形のレーザ焼結プ

ロセスを可視化する．そして，悪影響を与えているプロセ

スの原因や造形ひずみ発生とレーザ照射パターンや照射

２．実験方法条件との相互関係を調べる．そしてより高性能な金型部品

  レーザ焼結時のスパッタ現象の可視化を実現できる安定的かつ効果的な金型製造を実現するた  実験装置

めの，造形パラメータの検討を進める．

 スパッタ現象
現象が及ぼす悪影響

溶融金属が周辺へ飛散 • 硬度むらや組成むら。スパッタ
粒子付着による寸法増加の発生。
• 密度むらの発生による穴や水漏れ、腐食の発生。切削工具のチッピングなど。

 余剰硬化現象

されている．金型ヘの実用度をさらに高めていくためには，エンドミル工具表１ 高機能金型製造に悪影響を及ぼす３次元ている．これは積層造形と高速切削を組み合わせた加工法

切削

図１ 金属光造形複合加工法の造形プロセス

件を変えて装置はブラックボックスのような状態で利用

ガルバノメータミラー

この中で，日本国内において最も実用化が進んできていみが生じることなどの制約が原因で，試行錯誤的に製造条レーザ焼結材料タンクるのは金型への応用である．金型への応用の一つに，三次

図  には金属光造形複合加工法の造形プロセスを示し

レーザ光金属粉末

実験には株式会社ソディック社製の金属 ' プリンター

３次元金属積層造形による部品の精度悪化を引き起こ

230/ を用いた（図 ）．装置の仕様を表  に示す．

す現象として，スパッタ現象，余剰硬化現象，造形ひずみ  実験条件

現象などが知られている．これらの現象が及ぼす悪影響に

表  に実験条件を示す．レーザ走査速度の  条件とレーついて表  にまとめた．本研究は，表  に示す調査方法をザパワーの  条件の組み合わせの合計  条件で造形実験を用いて，これらの現象の要因について調べていく．

行った．

* 九州工業大学

大学院・情報工学研究院・

知的システム工学研究系教授- 72 -

表

金属'プリンター230/の仕様
項目
種類



最大出力
スポット径
レーザー波長スキャニングモジュール
最大主軸回転速度
主軸コレット穴
主軸最大トルク
主軸ストローク;<=送り速度 最大 ;<=レーザー





主軸





図２
230/
外観






単位:μm
QP
PLQ
PP
1・PPP


φ6
PPLQ 回目は の出力で， 回目は のレーザ出力で行うことを意味している．

図４ 造形物形状

表  スパッタ現象観察の実験条件

 レーザー照射条件
項目

単位

数値

走査速度

PPV



 積層ピッチ

PP





この際，
“あり ：“とあるのは，レーザ出力の割合を仕様<Eファイバーレーザー
ガルバノ方式

レーザーパワー: レーザーパス方式



―



全面




項目

単位解像度

ピクセル × シャッタースピード―

数値)SV
V



[




高速度カメラレーザー遮光ウインドウ

レーザー レーザー ワークスピンドルユニット 光線心線を算出し定義寸法からのずれ量を余剰硬化長として求め，評価指標の計算を行った．
評価指標には，品質工学で用いられる望目特性の 61 比を用いた．






精密ステージ

粉末供給ユニット
あり あり
あり あり

形物を上面から撮影し，画像処理によって輪郭を抽出し中

ベースプ
レート\
なしなし

周とし，それぞれ測定を行った．測定の手順としては，造用いた．

供給粉末



図５に示すように，造形物の穴部分を内周，輪郭部を外影を行った．造形中の状況を高速度カメラで撮影し分析に

鏡で測定した．

フルオープン

ンドウ越しに照明光源ならびに高速度カメラを配置し，撮り出し，テストピースの周囲に発生する余剰硬化物を顕微

図  に示す配置で，金属積層造形装置のレーザ遮光ウィ







属積層造形装置で造形した後，テストピースを装置から取  実験方法

照明光源





余剰硬化現象の実験においては，まずテストピースを金








  実験方法

サンプリングスピード
撮影時間

水準
因子
: レーザー出力>:@
4 単位長さ当たり熱量>@φ. スポット径>PP@, 内部二重走査2 輪郭二重走査  高速度カメラ撮影条件

表  余剰硬化現象観察の実験条件








図  実験装置配置（平面図）

  レーザ焼結時の余剰硬化現象の可視化  実験装置


図５ 測定箇所と手順
レーザ焼結時の造形ひずみ現象の可視化

実験には，スパッタ現象測定の時と同じ株式会社ソディ

  実験装置

ック社製の金属 ' プリンター230/ を用いた．

本実験においても同様に，株式会社ソディック社製の金  実験条件
実験は，図  に示すサンプル形状を，複数の造形条件で造形し実験を行った．実験は / 直交表に基づき計画し，

属 ' プリンター230/ を用いた．
  実験条件

表  に示す制御因子に対して， 水準の値を設定した．

図６に示すように，スペーサーで下面を浮かせ，ひずみこの中で，内部二重走査，輪郭二重走査とあるのは，レゲージを張り付けたベースプレートを作成し，複数の造形ーザ走査の方法として，通常は一回のみのレーザ走査で材条件でモデル形状を造形し実験を行った．実験は / 直料を領域硬化させるのに対し，同じ領域に  回繰り返して交表に基づき計画し，表  に示す制御因子に対して，各水レーザ光照射することを意味している．

準の値を設定した．

- 73 -

ここで /DVHUSDWK で全面，帯状とあるのは，図  に示すように，レーザ照射経路の違いを示している．
ベースプレート

単位




モデル













表  造形ひずみ実験の各因子の水準と値
水準１  水準
水準



/DVHUSDWK

全面

帯状φ>PP@4>@:>:@



D>PP@



K>PP@



E>PP@










各実験における条件表を表  に，またそれぞれの測定画像を図  に示す．また造形条件の違いによるスパッタ粒  実験結果



子数の変化の結果を図  に示す．スパッタ飛距離の結果





について図  に示す．

  考察

タイプ$ 全面  スパッタ発生状況の評価

図  ひずみ量の計測時間

３．各実験結果と考察

タイプ% 帯状図  の測定画像から，レーザ走査速度が遅く，レーザパワーの低い条件ほど，スパッタの発生が少ない傾向が見られた．また図  より，レーザ走査速度の増加に伴い，

スパッタの数は減少している傾向にあった．



また図  の結果からは，レーザパワーの増加に伴い飛

散の距離は遠くに飛散し，また走査速度の増加に伴いスパ






図  レーザーパスの種類 各ベースプレートには，ひずみゲージを取り付け，造形中のベースプレート下面に生じるひずみを計測した．また，レーザ照射中の造形面の温度を計測するために，放射温度計を装置内部に設置し，造形中の造形物の中心位置の温度表  実験条件表
>:@>:@>PPV@

DG>PPV@

E

H>PPV@

FI



変化を測定可能とした（図 ）．

 ひずみ量の計測は，図  に示すように，各層の造形時に，ひずみ基準点から  秒後からの  秒ごとに  点を取得す 評価指標には，品質工学で用いられる望小特性のＳＮ比を用いた．



ひずみゲージ（長手方向）
ベースプレート
スペーサー



ステージ




る．造形物の高さが  ㎜の時点でのひずみを評価に用いた．

ッタの飛散距離は近くなる傾向が見られた．
  実験方法













測定位置
（直径>PP@）図  ひずみと温度の計測箇所




V

図  モデル形状

基準点から秒後から秒ごとに点を取得



スペーサー



図  測定画像- 74 -パッタ の数particles
Numbe ofスSputtered

50454035302520151050

熱量であった．また外周と内周とで，傾向に違いが出ているのが制御因子 2 の輪郭二重走査であった．図  の感度の要因効果図より，外周，内周とも同じ傾向を示しているが，内周のほうが，感度が高く，目標値から離れている，すなわち全体的に余剰硬化が大きくなっていることが読み取れる．
これらの結果から，レーザ照射条件が余剰硬化に与える影響としては，スポット径が大きいほど余剰硬化が少なく(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

条件
Conditions(f)なり，単位長さ当たりの熱量が少ないほど，余剰硬化のばらつきが少なくなる．スポット径が  ㎜の時が余剰硬

図  スパッタ粒子数の結果化のばらつきが少なくなるという結果となった．



また，レーザ走査方法による余剰硬化への影響としては，
100%



25~20~25
15~20
10~15
5~10
0~5[mm]90%



80%70%

60%

比率 [%]

  実験結果

50%

造形中に生じるひずみと温度の測定例を図  に示す．

40%

周期的なひずみの変化は， 層ごとのレーザ照射後に生じ30%20%



たベースプレートのひずみの変化に相当する．ひずみの正10%
0%


(a)

(b)

(c)

方向が上そりで，マイナス方向が下そりに相当する．ひず(d)

(e)

(f)

みが急激に低下しその後徐々に上昇するパターンを描い実験条件

ている．また，放射温度計の観察領域をレーザ光が通過し図  スパッタ飛散距離の結果  造形ひずみ発生状況の評価

た時に，温度が瞬間的に急激に上昇し低下している状況が観察されている．

  余剰硬化発生状況の評価  実験結果



パラメータの因子毎にまとめた結果を図  に示す．61 比

が高いということは，測定値全体でばらつきが小さくなっていることを意味している．図  には感度の要因効果を示している．感度が小さいほど目標値に近いことを意味している．








61比 η [db]










外周
内周




:::

4 4 4

Φ1Φ2Φ3因子 水準


感度 6>GE@2 2 2

Φ1Φ2Φ340.0003

30.0002

20.0001

12400

02800

2600



時間[s]



図  造形中に生じるひずみと温度の測定例

/ 直交実験より得られた結果を整理し，図  に，ひ  に，ひずみのばらつずみの要因効果図を示す．また図400/ / /350



外周
内周

444

0.000402200

:::

5





0.0005き程度の指標である
61 比の要因効果図を示す．






6



図  余剰硬化量に関する 61 比の要因効果図/ / /

0.0006温度（温度計出力電圧[V]）

余剰硬化に関し，ばらつきの発生の程度について，造形ひずみ

硬化が少なくなるという結果となった．

300

ひずみ[μ Strain]内部，外部８：２で二重走査を行うと一重走査よりも余剰222



因子 水準

図  余剰硬化量に関する感度の要因効果図  考察  の 61 比の要因効果図より，水準の違いによる効果図が明瞭に表れているのは，制御因子 4 の単位長さ当たりの

250200150100



500

L1 L2 L3QφL1 L2 L3W

L1 L2 L3

L1 L2 L3ah

図  ひずみの要因効果図- 75 -L1 L2 L3因子/水準

L1 L2LaserPath

L1 L2 L3b-30

  全体の考察-35 以上のように，金属積層造形法で高機能金型を製造する

-40

SN比[db]

際に問題となる，スパッタ現象，余剰硬化現象，造形ひずみ現象について，造形パラメータが与える影響を可視化し-45分析する手法について検討し，各現象を定量化する手法を-50



-55


開発した．
L1 L2 L3

L1 L2 L3

L1 L2 L3

L1 L2 L3

L1 L2 L3

L1 L2 L3

L1 L2 L3LaserPathQφWahb

今回開発した手法により，現状の付加製造法で使われて因子/水準

いる造形プロセス自身が内包する特性を定量化することができたといえる．

図  61 比の要因効果図

個々の現象については可視化することが可能となった  考察が，実用性の観点から，今後，総合的な判断をさらに加えて，より良い造形条件を見出していく必要があると考えら

ひずみの要因効果図より，レーザ照射パスは W\SH$，れる．

スポット径は大きなスポット径，小さなレーザ出力程，ひずみが小さくなる結果が得られた．
また 61 比の要因効果図から，ばらつきを小さくする各４．結論

制御因子の水準を選択すると，レーザーパスは，水準 

３次元金属積層造形におけるレーザ焼結プロセスの可のタイプ $ 全面 ，入熱量は，水準  の ％，スポット径視化と高機能金型製造への応用を目的に，スパッタ現象，は，水準  の >PP@，レーザ出力は，水準  の >:@，余剰硬化現象，造形ひずみ現象という，金型製造の高機能モデル長さ D は，水準  の >PP@，モデル高さ K は水準化へ悪影響を及ぼす３つの現象について，造形パラメータ の >PP@，モデル幅 E は，水準  の >PP@という組み合の与える影響度合いを定量化する手法を開発した． わせとなった．

品質工学の手法を利用して，現行の造形条件周辺での造その組み合わせ条件を最適条件とし，そのパラメータ組み合わせの造形条件で造形実験を行い，標準条件での造形形パラメータの最適条件を，ばらつきの観点から探索した．
謝 辞

ひずみの結果と比較する．
図  は，確認実験により得られた，最適条件でのひず本研究の実施にあたり，株式会社ソディックには多大なみの測定値と，現行条件でのひずみとの比較結果である．

る協力を頂きました．また本研究は，公益財団法人天田財

標準条件よりもひずみが低くなる結果が得られた．
また 61 比を計算し，要因効果図から得られた推定値と比較した確認実験の再現性の確認結果を表  に示す．この団からの重点研究開発助成 % により実施した研究に基づいていることを付記するとともに，同財団に感謝いたします．

比較結果より，現行条件からの利得は十分あり，またおお参考文献よそ再現していると判断した．
） 楢原弘之日本における $GGLWLYH0DQXIDFWXULQJ の

概要とこれからの課題計測と制御    

－

ひずみ[μStrain]） 楢原弘之付加製造技術を用いた金型製造法成形加工    ） 楢原弘之金属光造形複合加工法による金型製造






産業用金属 ' プリンターの産業応用への課題光ア



現行条件

実験条件






0DQXIDFWXULQJ 技術の動向と研究事例精密工学会

誌    
表  確認実験による利得の再現性の確認） 楢 原  弘 之  金 型 産 業 に お け る $GGLWLYH図  確認実験の結果

ライアンス    最適条件61比>GE@） <RQH\DPD 7 .DJDZD + )DEULFDWLRQ RI FRROLQJ
FKDQQHOVLQWKHLQMHFWLRQPROGLQJE\ODVHUPHWDO

61比>GE@

最適条件（推定値）

実験 最適条件）



現行条件（推定値）

実験 現行条件

利得利得VLQWHULQJ,QWHUQDWLRQDO-RXUQDORI$XWRPDWLRQ7HFKQRORJ\    ） 藤丸浩宣，是澤宏之，楢原弘之電子ビーム加工による金属光造形通気性金型の性能向上－成形実験による 目 詰 ま り 減 少 効 果 の 確 認 －  型 技 術     - 76 -） 是澤宏之楢原弘之成形性を向上する射出成形金

DWWKH&DWKROLF8QLYHUVLW\RI/HXYHQ,VWDQEXO

型のガス排出方法プラスチックス日本プラスチ

867XUNH\:RUNVKRSRQ5DSLG7HFKQRORJLHV,VWDQEXO86ック工業連盟誌    

7XUNH\:RUNVKRSRQ5DSLG7HFKQRORJLHV ） 是澤宏之楢原弘之産業用 ' プリンターと電子） .UXWK-3/HY\*.ORFNH)&KLOGV7+&&RQVROLGDWLRQ

ビーム表面処理によるモールドデポジット抑制とガ

SKHQRPHQD LQ ODVHU DQG SRZGHUEHG EDVHG OD\HUHG

ス排出機構の研究型技術    PDQXIDFWXULQJ&,53$QQDOV0DQXIDFWXULQJ7HFKQRORJ\    ） .RUHVDZD +LURVKL )XMLPDUX +LURQREX 1DUDKDUD+LUR\XNL ,PSURYHPHQW LQ WKH 3HUPHDELOLW\） .UXWK-3/HX0LQJ&KXDQ1DNDJDZD73URJUHVVLQ

&KDUDFWHULVWLFVRI,QMHFWLRQ0ROG)DEULFDWHGE\DGGLWLYHPDQXIDFWXULQJDQGUDSLGSURWRW\SLQJ&,53

$GGLWLYH0DQXIDFWXULQJDQG,UUDGLDWHGE\(OHFWURQ$QQDOV0DQXIDFWXULQJ%HDPV ,QWHUQDWLRQDO MRXUQDO RI DXWRPDWLRQ7HFKQRORJ\    ） .UXWK-HDQ3LHUUH%DGURVVDPD\0RKVHQ<DVD(YUHQWHFKQRORJ\    ） +LURVKL .RUHVDZD .RKHL 7DQDND 1DUDKDUD'HFNHUV-DQ7KLMV/RUH9DQ+XPEHHFN-DQ3DUWDQG

+LUR\XNL/RZ(QHUJ\,QMHFWLRQ0ROGLQJ3URFHVVE\PDWHULDO SURSHUWLHV LQ VHOHFWLYH ODVHU PHOWLQJ RI

D0ROGZLWK3HUPHDELOLW\)DEULFDWHGE\$GGLWLYH

PHWDOV 3URFHHGLQJV RI WKH WK ,QWHUQDWLRQDO

0DQXIDFWXULQJ

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