３次元金属積層造形におけるサポートレス造形技術の開発
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 製造技術研究部門 素形材加工研究グループ
研究員 佐藤 直子（平成 27 年度 重点研究開発助成 B 課題テーマ AF-2015202）
キーワード：金属積層造形，リコート，溶融凝固現象，Ti6Al4V

１．研究の目的と背景

約 20 m である．微小な間隔で反ったブレードを有する構

3 次元金属積層造形（以下，積層造形）は，材料を積み造は，切削では刃物が入らず，サポートレスプロセスの積上げて造形するため，切削や塑性加工，鋳造などの既存の層造形でしか加工できない形状である．しかし，このプロ加工技術より原理的に複雑形状や中空形状の加工が得意セスは，まだ再現性が低いのが現状である．その理由は，とされる．そのため，トポロジー最適化設計による構造物プロセスの制御が不十分なためである．経験的に，粉面のの軽量化や高機能化を実現しうる金属加工法として期待温度が低い場合や，不均一な場合は，層が反り上がったり，されている．例えば，GE aviation では旅客機のジェット粉末に接する面へのレーザ照射の際にアブレージョンやエンジン部品において，燃焼ノズル，ブラケット，エンジスパッタリングが生じて突起状に凝固したりし，それがリンセンサハウジングなどを積層造形で製造し，実用化に向コータとぶつかって造形物全体が引きずられ，加工エラーけた検討が進められている．これらの部品を積層造形で製となる．一方で，造形時の粉面の温度が高く，かつ温度が造することは，軽量化だけではなく，耐熱性や強度特性の均一であれば，これらのエラーは生じにくく，サポートレ優れる材料を使用した性能向上を狙ったものである 1)．さス造形が成功する．これは，レーザと粉末の相互作用によらに NASA では，エンジンの高効率化をエンジンインジェる発熱が伝熱する際の違いであると考えられる．そこで，クタに施し，燃料噴射実験を成功させている 2)．このよう本研究では，サポートレス造形プロセスにおける温度制御に積層造形による機能性形状を活かした技術が応用されを目指して，伝熱に関係する粉末層の状態，プロセス雰囲始めている．

気，粒子形状が造形物の相対密度に及ぼす影響を評価した．

粉末床溶融結合型（以下 PBF: Powder Bed Fusion）のさらに，伝熱制御のためには溶融凝固挙動の評価が必要で積層造形は，原料粉末を薄く敷き（リコーティング），必あると考えられ，積層造形のプロセス評価装置を試作し，要箇所のみに熱源を照射することで金属粉末を溶融凝固評価を試みた．

させて二次元の層を作製し，それを積み重ねて三次元構造物を得る加工法である．熱源にレーザを用いる手法は，選択的レーザ溶融法（以下 SLM: Selective Laser Melting）と呼ばれる．
SLM は，局所的に急加熱急冷するプロセスであるため，残留応力により反りが発生しやすい．そのため，現状のプロセスでは，反りによるエラーを抑制するため，土台（ベ

図1ースプレート）と造形物を繋ぐようにサポート材を造形し形プロセスによる造形物 4)，(c)サポートレス造形プロセス，ている（図 1a, b）．サポートは，造形後にニッパーなど(d)サポートレス造形プロセスによるタービンブレード．

(a)サポートあり造形プロセス，(b)サポートあり造で切断し取り除く必要があり，造形物は必要に応じて表面仕上げが施される．この工程は，流路などの内部構造を造形する場合にもサポートを造形して後で取り除く必要が

２．実験方法2・1

供試材あるため，実質的に造形できる形状を制限しているといえ材料は，Ti6Al4V 合金の粉末を用いた．粉末は，大阪チる．申請者らは，より積層造形の特徴を生かすためにはサタニウム社製のガスアトマイズ粉（以下 GA，図 2a）およポートレス造形技術の開発が必要であると考え，サポートび東邦チタニウム社製の破砕粉（以下 HDH，図 2b）を用いレス造形技術開発を行っている．

た．粉末の組成を表 1 に示す．粉末の粒度は，いずれも開発したサポートレス造形技術は，断熱性の高い真空雰

45 m 以下とした．

囲気において行う．その工程は，造形物の下部から仮焼結状態の予熱部（図 1c 予熱１）を造形し，さらに弱いレー表1

ザ照射条件で予熱を施し（図 1c 予熱２）
，造形物周辺のTi6Al4V 粉末の化学組成 (wt.%)．

粉末温度を均一に高めることにより実現した 3)．図 1d は，

GAAl
6.20

開発したサポートレスプロセスにより造形したタービン

HDH

6.31の模型である．表面は造形ままの状態であり，表面粗度はV
4.31Fe0.03C0.007

O
0.22

N
0.030

4.25

0.22

0.006

0.55

0.038

で移動させることにより，溶融部を連続的に観察するものである．試料となる部分は，粉末床治具と，不活性ガスにより溶融金属と空気との接触を断つシールド機構を作製し，SLM の溶融凝固が生じる環境を整えた．試料トレーは，厚さ 5mm のアルミニウム板に溝加工を施し，溝の中に厚さ3mm の粉末を充填する構造とした．
図2

原料粉末の SEM 画像．(a) GA 粉末，(b) HDH 粉末．

2・2

積層造形装置

積層造形装置は，NEDO「次世代素材等レーザ加工技術開発プロジェクト」にて株式会社アスペクトと共同で開発したプロトタイプ機を用いた 5)．本装置は，レーザ，ガルバノスキャナ，粉末供給槽，造形槽，粉末供給装置（リコータ），真空チャンバから構成され，真空雰囲気とガス雰囲気での造形ができることが特徴である．真空度は，バックグランドで 1×10-3 Pa，プロセス中で 1×10-2 Pa となる．
レーザは，最大平均出力 500W のファイバーレーザ（古河電気工業社製，波長 1064 nm）を搭載している．リコータ

2・5・2

プロセス評価プロセス評価装置で再現する粉末の溶融凝固挙動は，X線透視により観察した．X 線透視画像は，材料の密度差がコントラスト差となり，溶融凝固部の形態などが観察できる．X 線透視装置は，島津製作所社製を用いた．観察条件
は，X 線透視画像において最も色の差異が明瞭になった，
管電圧 160 kV，管電流 90 A の条件とした．観察の際，縮尺としてφ1mm の白金線を粉末床治具の側面に付与した．
レーザ照射条件は，出力 P = 100～250 W，サンプルトレーの送り速度 v = 10～50 mm/s とした．X 線透視像は，画像処理ソフトウェア ImageJ を用いて輝度から溶融部を解析した．

はローラを用い，進行方向と逆回転する機構となっている．
2・3

リコート特性評価

粉末床溶融型の造形手法では，粉末を一層ずつ敷き， 必要な個所を溶融凝固する．そのため敷いた粉末の充填状態が造形した製品の品質に大きく影響することが考えられるが，その評価は十分なされていない．そこで画像解析手法を用いた評価を実施した．画像は，積層造形装置のリコータ部分に顕微カメラを取り付けて取得した．リコート工
程は，リコータが粉末供給槽側から造形槽側に移動することで粉末を敷き，その後リコータを原点位置に戻す．本装置は，リコータ部分に顕微カメラを設置することにより，造形槽の中央部付近の同一箇所の粉末表面の状態を層毎に取得できる機構とした．本研究では，GA 粉末を対象とし，100 µm の積層厚さでリコートを 22 層繰り返し行った時の層毎の粉末層表面の画像を二値化し，粒子の数，平均寸法について評価した．顕微カメラで取得する粉面の範囲は，1.2 mm x1.6 mm である．
2・4

造形性に及ぼす雰囲気及び粒子形状の影響評価

試料は，造形条件を出力 P = 60～140 W，走査速度 v = 20～100 mm/s，走査幅 h = 0.04～0.2 mm，積層厚さ t = 0.05～0.1 mm として作製した．雰囲気は，真空，Ar ガス，Heガス雰囲気を用いた．造形した試料は，相対密度をアルキメデス法で測定し，組織は試料を樹脂埋め後に鏡面研磨を施し，クロール液（HF:HNO3:H2O2=1:2:100）でエッチングし，光学顕微鏡および SEM を用いて観察した．
2・5

プロセス評価

2・5・1

プロセス評価装置の概要

プロセス評価装置は，SLM における金属粉末の溶融凝固状態を再現し観察する機構を検討した．図 3 は，試作したプロセス評価装置の模式図である．本装置の機構は，熱源であるレーザを固定し，粉末を充填した試料トレーを１軸

図3

プロセス評価装置の模式図

３．実験結果と考察
3・1

リコート特性評価

図 4a は，顕微カメラで取得したあるリコート粉面の画像である．白く見える領域は，粉末粒子からの反射光であり，1 粒子から 1 反射であった．また，大きな粒子は，反射領域が大きく，小さな粒子は小さいことが確認された．
画像解析では，反射光を再現する条件で二値化し（図 4b），層毎の粒子の数と反射光の平均寸法を評価した．結果は図4c に示す．粒子数は，層ごとに変化し，22 層評価した平均粒子数は 1649 個，スポット径同等の 10000μm2 当たり

で造形したものの方が相対密度が高い傾向がみられた．一方で，真空雰囲気での造形物は，相対密度のばらつきが大きく不活性ガス雰囲気との有意差は得られなかったが，平均投入エネルギー密度が低い範囲では真空雰囲気の方がわずかに高い相対密度を示した．

図4

層毎の粉の数と平均寸法．の平均粒子数は 850 個であった．平均寸法も変動がみられた．
粒子数に対する平均寸法を図 5 に示す．これより，各層

図6

平均投入エネルギー密度に対する造形物の相対密の粒子サイズと粒子数には線形の相関がみられた．また，度変化．造形雰囲気及び粒子形状を変化させた場合の比較．

各層で密度のばらつきが見込める．このように，層毎に粉参考値として市販 Ar ガス雰囲気 SLM の推奨条件で造形しの状態が変化する様子を観察でき，層毎に粉末層の充填密たものの相対密度を示す．

度が変化していることが示唆される．しかし，本機構は，造形中の評価には用いることができず，粉末層の状態と，粒子形状を変化させた比較 6)では，まず図 7 に示すよう造形物の相対密度や表面粗度などとの相関を評価するこに HDH 粉末のみではリコートした状態の粉面に亀裂が生とはできなかった．

じたため（図 7b），シリカ系潤滑剤を添加することで図 7cに示すように GA 粉末（図 7a）と同等の粉面を形成させた．
粉末 B の造形物は，潤滑剤を添加した粉末を用いて造形した．

図5

粉の数と平均サイズ．

3・2 造形物特性に及ぼす雰囲気及び粒子形状の影響評価
図 6 は，雰囲気及び粒子形状を変化させて造形した造形物の相対密度を平均投入エネルギー密度 E=P/vht に対してプロットしたものである．造形物は，GA 粉末を用いて真空雰囲気，Ar ガス雰囲気，He ガス雰囲気で作製したも図7の，および HDH 粉末を用いて真空雰囲気で作製したものに滑剤を添加した粉末 B．

リコート状態の粉面．(a)粉末 A，(b)粉末 B，(c) 潤ついて比較した．また，参考値として，市販 Ar ガス雰囲
気 SLM の推奨レーザ照射条件で造形した試験片の相対密度（98.3 %）を線で示した．

その結果は，相対密度を図 6，断面光学顕微鏡像を図 8に，同条件で作製した GA 粉末による造形物の結果と合わ

このグラフから，真空雰囲気では，平均投入エネルギーせて示す．相対密度は，GA 粉末よりも HDH 粉末の方が若密度が低い範囲においてはその増加に伴い相対密度が増干相対密度が高く，断面国学顕微鏡像からもその傾向がみ加し，300 Jmm-3 以上では 95 %以上の値を示し緻密化した．

られた．いずれの造形物も空隙がみられるが，粉末 A の造不活性ガス雰囲気では，相対密度の増加に伴い相対密度が形物には空隙の中には未溶融粉末が観察され，粉末 B の造増加する傾向がみられ，Ar ガス雰囲気より He ガス雰囲気形物には観察されなかった．これは，粒子形状の違いによる熱伝導率の違いによるものと考えられる．粉末 A は球形であるため，粒子同士は点で接するが，粉末 B は角ばった形状であるため点だけでなく線や面で接する．そこで，粒子形状の違いによる熱伝導の違いを考察するため，一層
図 10平均投入エネルギー密度を一定として出力と移動速度を変化させた時の溶融凝固部の比較．

図 8 造形物の断面光学顕微鏡像．(a) 粉末 A，(b) 潤滑剤を添加した粉末 B．
造形で溶融深さの違いを評価し，その結果を図 9 に示す．
一層造形では，いずれも最初の数走査線分は不安定な形状で深く溶融し，その後に安定した形状と溶融深さが得られている．安定した形状の領域で評価した溶融深さは，粉末A では 155 m，粉末 B では 194 m であった．したがって，局所的な熱伝導が粉末形状によって異なり，点，線，面で接する粉末 B の方が局所的な熱伝導率としては大きくなり，深く溶融したと考えられる．

図 9 一層造形試料の断面光学顕微鏡像．(a) 粉末 A，(b) 潤
滑剤を添加した粉末 B．
ここまで，リコートした粉面の状態や造形雰囲気，粒子形状と造形物の相対密度の相関について検討してきた．さらに，伝熱制御のためには溶融凝固挙動の評価が必要であると考え，積層造形のプロセス評価装置を試作し，評価を試みた．
3・3

プロセス評価

平均投入エネルギー密度を一定として出力と試料の移動速度を変化させたときの溶融凝固挙動を観察し，評価した．図 10 は，溶融凝固後の試料の写真である．また，レー
ザ照射中のその場 X 線透視観察像を図 11 に示す．X 線透視

図 11像は，画像の縦方向で明暗の分かれるラインが粉面であり，動速度を変化させた試料の X 線透視画像（a-e）および a-e

粉面から盛り上がって輝度値の小さい領域が溶融凝固部，の溶融凝固部を縁取りした模式図（f-j）．

粉面以下の溶融凝固部より輝度値の大きい領域が粉末層となる．これらより，出力および走査速度が大きくなるほど，凝固部は連続した線状から不連続なボール状となった．

平均投入エネルギー密度を一定として出力と移この凝固部が不連続にボール状となる現象は，SLM において欠陥形成の要因の一つとして知られ，ボーリング現象と呼ばれる．
移動速度を一定とし，出力を変化させたときの溶融凝固挙動を観察し，評価した．図 12 は，溶融凝固後の試料の写真である．また，レーザ照射中のその場 X 線透視観察像を図 13 に示す．出力が 125 W の凝固部は連続しており，250 W の凝固部はボーリング現象が生じていた．このようにレーザ照射条件の違いにより溶融凝固部の形状が変化することは，表面張力とレーザ照射部周辺の温度つまり伝熱による物理現象が影響し合い，溶融凝固部の形状に影響したことを示唆している．
ボーリングが発生する現象を把握するため，250 W の X
線透視画像を 1 ms 間隔で抜き出した画像を図 14 に示す．
t = 0 sec では，レーザ照射位置付近に 2 つほど小さい溶融凝固部がみられたが，1 ms 後にはボールが一つに合体し，さらに大きな紙面向かって右側の球体に引き寄せられるように合体していることがわかった．このほか，キーホールが生じたり，レーザ照射部に球状の溶融凝固部が引き

図 13つけられてボールが成長したりする様子が観察された．

線透視画像（ab）および ab の溶融凝固部を縁取りした模ここでは，積層造形のプロセスを模し, 金属粉末溶融凝固現象を X 線透視観察する手法を開発した．各レーザ照射条件においてキーホール型の溶融や溶融凝固部の球状化，球状の溶融凝固部の合体過程などを観測し, 本手法の有効性を確認し，金属粉末溶融凝固現象の観察手法の指針を示した．ボーリング現象は，レーザ照射条件によって変化することから，伝熱が影響することが考えられる．したがって，材料，加工雰囲気など様々な因子で変化することが推測されるが，その解析は今後の課題である．ボーリング
現象のメカニズムを明らかにし，溶融凝固挙動を安定させるように制御することができれば，造形物の品質改善およびサポートレス造形技術の再現性向上に資すると考える．

図 12

移動速度を一定として出力を変化させた時の溶融凝固部の比較．(a)125 W，(b)250 W．

移動速度を一定にして出力を変化させた試料の X

式図（cd）．

プロセス評価装置を試作し，評価を試みた．その結果，溶融凝固部の形状は，低出力かつ低走査速度の条件の方が連続した線状に凝固し，高出力かつ高走査速度になるにつれて球状に固化し不連続になるボーリング現象となることがわかった．

謝辞

本研究は公益財団法人天田財団より重点研究開発助成B（AF-2015202）を賜りました．ここに深甚なる謝意を表します．

参考文献
1) http://additivemanufacturing.com/2015/05/20/ge-jet-engines-with-3d-printed-parts-power-next-gen-airbus-passenger-jet/ （参照 2015 年 7 月 12 日）
2) http://additivemanufacturing.com/2014/08/31/
nasa-sparks-fly-as-nasa-pushes-the-limits-of-3-d-printing-technology/（参照 2015 年 7 月 12 日）
図 14 出力 250 W, 移動速度 10 mms-1 の時の球状の溶融凝固部の合体過程（a-e）および a-e の溶融凝固部を縁取りした模式図（f-j）．(a, f) 発生時，(b, g) 発生後+1ms，(c, h) 発生後+2ms ， (d, i) 発生後+3ms ， (e, j) 発
生後+4ms．

４．結論
造形雰囲気や粒子形状などの造形条件と造形物の特性との相関を示すことができなかった．相関を示すためには，溶融凝固挙動の評価が必要であると考えられ，積層造形の

3) 中野禅，清水透，萩原正，佐々雅祥：積層造形物，粉末 積 層 造 形 装 置 及 び 粉 末 積 層 造 形 方 法 ,JP-A-2015-38237, 20150226.
4) http://www.em-pi-es.com/realizer-slm-50.php(参照 2015 年 7 月 12 日)
5) S. Nakano et al.: Proc. of the 7th International
Conference on Leading Edge Manufacturing in 21stCentury, (2013), 419-422.
6) Naoko Sato, Masaki Ito, Takayuki Izumida, Toru
Shimizu, and Shizuka Nakano: Materials Science Forum,879(2017), 1698-1702.