金属積層造形技術に関する研究および開発の進展
佐藤雄二塚1)

本雅裕2)がわかる．そこで，本報では，LAM 技術の最新の研究開発

.

Laser Additive Manufacturing の概要

動向および応用について述べる．

.

Additive Manufacturing(以下 AM)技術は，必要な場所に必要な材料を付加して目的の立体形状を製造する方法である．従来の切削加工や鋳造加工では実現できなかった形状を

レーザー粉末床溶融結合法

レーザー粉末床溶融結合法の概略作製できるため近年，多くの分野で AM 技術の注目度が高レーザー粉末床溶融結合法( L PBF )は，学術的には，選まっている．ASTM(American Society of Testing and択的レーザー溶融法( Selective Laser Melting: SLM)と呼ばMaterials)によると，AM 技術は，以下の様に 7 つに分類されることが多い．熱源にレーザーを用いて，一層毎に金属粉れる．

末を溶融・凝固して，これを繰り返し積み上げて立体形状を

 材料押出法(Material extrusion)◯al jetting)形成する手法である．レーザーには，高出力かつビーム品質

 液相光重合◯が高く，光ファイバーでレーザー光を伝送できる Yb ファイ

 シート積層法(Sheet lami◯

バーレーザーが最も多く採用されている．光ファイバーから

 結合剤噴射法(Binder jetting)◯法(Vat Photopolymerization)nation) 材料噴射法(Materi◯ 粉末床溶融結合法(Powder bed fusion)
◯

 指向◯

エネルギー堆積法(Direct energy deposition)

出射されたレーザー光は，2 軸あるいは 3 軸のガルバノミラーに導光され，集光レンズを介してパウダーベッドに掃引照 粉末床溶融結合法と◯
 指向エネルギー堆積法
中でも，◯射される．図にレーザー粉末床溶融結合法の概略図に示す

は，金属用 AM 技術として応用されている．熱源にレーザ様に，粉末をローラーでパウダーベッド上に任意の厚さに均ーを用いた金属用 AM 技術は，Laser Additive Manufactur-一に敷き均し，その状態でレーザーを掃引照射して，材料粉ing(LAM)と呼ばれ，近年，研究開発および製品開発が進ん末を溶融・凝固して 2D の造形物を形成させる．次に任意のでいる．粉末床溶融結合法の装置メーカとしては，EOS 社，積層厚だけステージを下降して，再びローラーで粉末を供給

SLM Solutions 社， Concept Laser 社，指向エネルギー堆積し，レーザーを照射する．これを繰り返して立体の造形物を法では，TRUMPF 社，LaserLine 社がリードしているが，形成する．積層厚さは各装置によって異なるが約 50 mm ～これらの企業は，すべてドイツ企業である．また， 2016 年に TRUMPF 社，2017年 2 月に DMG Mori 社がそれぞれ粉末床溶融結合装置をリリースするなど，LAM 分野では，ドイツ企業の活躍が目立つ．一方，アメリカでは， General
Electric 社 が ， 粉 末 床 溶 融 結 合 法 の 装 置 メ ー カ Concept
Laser 社と ARCAM 社を買収し，新規プロセスの開発や技術開発の短縮化などに力を入れており， 2017 年 2 月に開催された Workshop on LAM2017では，「パウダーベースで飛行機を作る夢を実現する」と講演で謳っていた．一方，国内
では，技術研究組合次世代 3D 積層造形技術総合開発機構が国家プロジェクトとして立ち上がり次世代産業用 3D プリンタの開発を産・官・学が連携して進めている．このようにLAM 分野の研究開発は，国内外で活発に進められている事

図1

レーザー粉末床溶融結合法の概略図．

大阪大学接合科学研究所 接合プロセス部門レーザプロセス学分野1)特任講師 2)教授(〒5670047 茨木市美穂が丘111)
Development Trend and Progress of Laser Additive Manufacturing for Metal; Yuji Sato, Masahiro Tsukamoto( Joining and Welding
Research Institute, Osaka University, Ibaraki)
Keywords: laser additive manufacturing, selective laser melting, laser metal deposition, laser coating, beam profile
2017年 7 月21日受理[doi:10.2320/materia.56.691]

ま て り あ 第56巻 第12号(2017)
Materia Japan


図2

L PBF で造形したレコード針支持金具 ( a ) L 
PBF 造形直後の写真，( b ) 断面図，( c ) 完成品
株 愛知産業提供)．
(

100 mm である．材料粉末はローラータイプあるいはスキージタイプのブレードで搬送するので，流動性の高いガスアトマイズで作製した球状の粒径 30 mm 程度の粉末を用いている． LPBF 法はパウダーベッドで基板に一層から造形する

図3

Hull & Core によるレーザー掃引パターンとビームプロファイル．

図4

EBSD 分 析 結 果 ( a ) Hull 部 ， ( b ) 概 略 図 ， ( c )株 提供)．
Core 部(愛知産業

ので，微細な形状や，生体を模擬した複雑な立体構造の造形ができる事が特徴である．適用材料としては，ステンレス，インコネル，ハステロイ， FeNi 系合金， AlMg Si，チタン合金，マグネシウム合金など各種金属の研究報告が盛んに報告されている(1)(7) ．図に実用例として， ORTRON 社のレコード針の支持金具に採用されている造形部品を示す．
図 2(a)は，当支持金具を LPBF で造形した際の写真，(b)は支持金具の断面写真を示している．先端部は密度を100に，それ以外の部分は，多孔構造になる様にレーザー照射条件を適用し造形を行っている．図からも多孔層が現れているのが確認できる．これによって図 2( c )に示す様にアナログレコードの針が完成する．この密度差を利用した支持金具によって，音質が良くなるという．
従来は，金型や機械部品の試作・開発，小ロット部品の製造，航空宇宙分野のブラケットや燃料噴射装置，医療分野ではインプラント，歯科用ブリッジなどの応用が展開されていたが，今回紹介したレコード針の支持金具など身近な電化製品に応用展開され始めており， LPBF で造形した部品，製品の普及が進んでいるのがわかる．
レーザー粉末床溶融結合法の研究開発動向

L PBF の課題は，パウダーベッドに敷き均した約 100mm の粉末にレーザーを掃引照射して，積層造形していくため，どうしても造形に時間が掛かってしまう事にある．例えば， 10 cm × 20 cm × 10 cm の直方体を造形しようとした場造形速度が得られている(8)(9)．先述した 10 cm ×20 cm× 10合， 400 W のレーザーを搭載した造形装置( SLM280 型，cm の造形を Hull & Core 法で造形した場合には，造形時間SLM Solutions )では，最大造形速度が 35 cm3 / h であるのが11時間程度で済むということになる．次に SUS316L を用で，約 57 時間程度掛かる事になる．これを解決するためにいて造形した試料の金属組織を Hull 部と Core 部についてドイツ・フランフォーファー ILT のチームは，Hull & Core評価するために， EBSD 分析を行った結果を図に示す．

法と名付けられたレーザー掃引方法を開発した．これは，図その結果， Hull 部の結晶粒は，微細粒が支配的であるのにに示す様に直方体を造形する時，輪郭部の Hull 部を 400

対し， Core 部では，結晶粒が大きくしかも造形方向に沿っW のシングルモードファイバーレーザーを用い，スポットて粒が成長している事がわかる．このようにレーザーの照射径を 200 mm に設定して掃引照射して輪郭部を 3 層積み上条件を変えると材料組織が異なる造形が可能になるため，異げ，その後，内部を 1000 W のマルチモードファイバーレー

方性材料の開発なども検討されている．

ザーを用いて，集光径 1000 mm で掃射して造形する方法で2017年 6 月にミュンヘンで開催された国際会議 Lasers inある．このように 2 台のレーザーを用いて造形すると，400Manufacturing に て SLM Solutions 社 か ら Hull & Core でW のレーザー一台で造形していく場合に比べて，約 5 倍のインコネル718を造形した試料において，単結晶の造形に成

ミ ニ 特 集功したと報告があった(10)．会議ではプロジェクト進行中とに正確に粉末を供給することが難しく，高精度な造形が難しいうことで，詳細な造形パラメータの開示が無かったが，い．そこで，造形面に対して垂直に原料粉末を供給すること

LPBF で単結晶材料の造形が可能になればますます用途がで，粉末供給位置決め精度を向上した面直噴射型 LMD 装置広がっていく．

が開発された．これは，内閣府が先導する戦略的イノベーシ

LPBF の設計の自由度が高くなることに加え，造形物のョン創造プログラム(SIP)/革新的設計生産技術/高付加価値

材料組織が制御，しかも単結晶材料の造形ができるとなれ設計・製造を実現するレーザーコーティング技術の研究開発

ば，部位ごとに材料組織を変えられるような真の意味のテー(開発責任者大阪大学接合科学研究所

ラーメードものつくりを実現する技術となり得る．今後もの開発成果である．同装置は，図に示すように，ヘッドのLPBF の開発動向に注目されたい．

中心に設置した口径 q0.4 mm のノズルから原料粉末を試料教授塚本雅裕)でに面直に噴射供給するとともに，斜め方向から 6 本のレー.


指向エネルギー堆積法

指向エネルギー堆積法の概略

金属積層造形技術の一つである指向エネルギー堆積法またはレーザー粉体肉盛法( Laser Metal Deposition: LMD )と呼ザー光(波長 915 nm，最大出力 50 W/本)をノズル先端の位置で集光し，最大 300 W のレーザー光で粉末を溶融・凝固して造形を行うことができる．6 本を重畳したときの集光径は，q0.3 mm である．
上述のレーザー加工ヘッドおよびレーザー発振器，高精度ばれるこの手法は，レーザーを用いて基板表面に溶融池を形粉末供給機を搭載した面直噴射型 LMD 装置の外観を図に成し，そこに金属粉末あるいはワイヤー等で材料を供給しな示す．装置には，X 軸，Y 軸，Z 軸からなる多軸の位置決めがら，溶融凝固させて堆積する手法である．基材形状に制約ステージが組み込まれており，その上に固定したワークを自が少ないため，積層造形だけでなく，金型補修や肉盛溶接な動で移動させながら肉盛および造形が可能である．微細なビど幅広く応用展開が進められている(11)(12)．熱源であるレーードを積層することにより立体造形が可能であるかを検証す

ザーには，波長が 0.9～1.2 mm のファイバーレーザー，ファるため，厚さ 2 mm のステンレス鋼板(SUS304)上に直径 20イバーカップル半導体レーザー，ディスクレーザーなどの出mm ，肉厚 0.7 mm の薄肉円筒の積層造形を行った．図力が 4 ～ 6 kW の高出力 CW ( Continuous Wave )レーザーが( a )にその外観写真を示す．実験条件は，レーザー光出力採用されている(13)(14)．出射されたレーザー光は，光ファイ100 W ，送り速度 20 mm / s ，粉末供給量 50 mg / s ，積層ピバーでロボットアームに取り付けられている加工ヘッドに導光され，加工ヘッドの集光レンズによって加工部に集光照射される．この時のスポット径は，2～5 mmq である．このレーザー照射によって表面の金属を溶融して溶融池を形成し，そこに材料を供給すると粉末が溶融・凝固して皮膜が形成される．図に示す様に粉末供給とレーザーを一体化した加工ヘッドが，ドイツ・フラウンホーファー ILT で開発・実用化されている代表的な加工ヘッドである．
指向エネルギー堆積法の研究開発動向

従来の LMD 装置では，レーザー加工ヘッド中心から照射されるレーザー光に対して斜め方向から原料粉末が噴射供給

図6

面直噴型 LMD 装置の概略図．

される．しかし，粉末の集束性が悪いため，目標とする位置

図5

LMD 装置外観．

ま て り あ 第56巻 第12号(2017)Materia Japan

図7

面直噴型 LMD 装置のレーザー照射時の様子．

ッチ 0.1 mm とし， 80層積み上げて造形を行った．肉厚 0.7

.

mm の薄肉円筒を 8 mm の高さまで造形できることを確認し

今 後 の 展 望

た，図 8( b )に示す様に触針式表面粗さ測定機を用いて積層方向に形状を測定した結果では，表面粗さ Ra8 mm，うね

本報では， Laser Additive Manufacturing を代表する L 

り形状 Wz  9 mm となり，精度の高い鋳物程度の表面性状PBF 法と LMD 法について概要から最新の研究動向の一部で積層可能であることがわかった．さらに，面直噴型 LMDを紹介したが，本報で紹介出来なかった技術や応用例も数多

装 置 は ， ヤ マ ザ キ マ ザ ッ ク 社 の ハ イ ブ リ ッ ド 加 工 機 IN-

くあり，今後ますますレーザー金属積層造形技術の進展が期

TEGREX i200S AM(MLMD 仕様)に採用された(図)．

待される．本報がレーザー金属積層造形技術を使用するため切削工程で形状を作り，必要な箇所に造形を行い，再び切削の一助になれば幸いである．

で仕上げるのでワンプロセスで最終製品が製作できる(図)．この切削技術と AM 技術を融合したハイブリッド技術
は，設計の自由度や生産性を高めるだけでなく，高機能かつ高付加価値なものつくりを実現する技術と言える．今後は，同種材料の造形だけでなく，異種材料を付加したマルチマテ

株 木寺正晃氏，日比祐基氏，本稿執筆にあたり，愛知産業

石川県工業試験場 舟田義則氏，山下順広氏，ヤマザキマザ
株 浅野孝平氏，大内誠吾氏には多くの情報と貴重なご意
ック

見をいたただいた．ここに深謝の意を表する．

文

リアルの開発や傾斜材料など高機能な造形品の開発が期待される．

図8

薄肉円筒の積層造形 ( a ) レーザー積層造形後の写真，(b) 表面粗さプロファイル．

図9

ハ イ ブ リ ッ ド AM 加 工 機 INTEGREX i 200S
AM(MLMD 仕様)．

献( 1 ) E. C. Santos, M. Shiomi, K. Osakada and T. Laoui: Int. J.
Machine Tools Manuf., 46(2006), 14591468.
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Sci. Technol., 29(2013), 757760.
( 3 ) D. Gu, Y. Shen and Z. Lu: Mater. Lett., 63(2009), 15771579.
( 4 ) Z. Wang, K. Guan, M. Gao, X. Li, X. Chen and X. Zeng: J. Alloy Compd., 513(2012), 518523.
( 5 ) Q. Jia and D. Gu: J. Alloy Compd., 585(2014), 713
721.
( 6 ) I. Yadroitsev, P. Krakhmalev, I. Yadroitsava, S. Johansson andI. Smurov: J. Mater. Process. Technol., 213(2013), 606613.
( 7 ) Y. Nakamura and N. Yoshida: J. Japan Soc. Precision Eng., 69(2003), 12421245 (in Japanese).
( 8 ) D. Buchbinder, H. Schleifenbaum, S. Heidrich, W. Meiners
and J. Bultmann: Physics Procedia, 12(2011), 271278.
( 9 ) S. Bremen, W. Meiners and A. Diatlov: Laser Tech. J., 9(2012), 3338.
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(13) T. Baldridge, G. Poling, E. Foroozmehr, R. Kovacevic, T.
Mets, V. Kadekar and M. C. Gupta: Optics Lasers Eng., 51(2013), 180
184.
(14) C. Honga, D. Gub, D. Daib, A. Gassera, A. Weisheita, I. Kelbassaa, M. Zhongc and R. Poprawea: Optics Lasers Eng., 54(2013), 98
109.
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佐藤雄二
2005年 東海大学大学院工学研究科博士後期課程修了
2005年 東京工業大学統合研究員特任助教
2012年 大阪大学接合科学研究所特任研究員
2017年 大阪大学接合科学研究所特任講師 現職
専門分野光化学，機能性材料表面の創製，レーザー工学◎レーザーを用いた機能性材料表面の創製や積層造形技術の研究開発を中心に活動．

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図10 ハイブリッド AM 加工機 INTEGREX i200S AM株 提供)．
で作製したインペラ(ヤマザキマザック佐藤雄二

塚本雅裕

ミ ニ 特 集