補助事業番号

2023M-280

補助事業名

2023年度 リングモードレーザを用いたスパッタレス金属積層造形手法の開発 補助事業

補助事業者名三条市立大学 工学部 江面篤志

１ 研究の概要
金属粉末を出発点とした粉末床溶融結合法（PBF-LB/M）におけるスパッタレス積層プロセスの構築を目指し，リングモードレーザの導入を試みた．その結果，スパッタの発生を大幅に減少させることが可能であることが明らかとなった．さらにレーザ出力，走査速度が形成される溶融ビードに及ぼす影響について検討した結果，市販のPBF-LB/M積層装置で用いられるレーザ源と比較して，同等の品質を担保できる至適なレーザ照射条件を見出した．至適条件を用いた面造形実験においても市販装置の最適条件と同等の粗さおよび空隙率を達成することができた．
２ 研究の目的と背景
積層造形による金属部品の製造は付加製造法（アディティブマニュファクチャリング:AM）と呼称され，金属加工業におけるゲームチェンジャとなる可能性を秘めており，近年，注目を集めている．
その中でも，金属粉末を出発点として，他の金属AM技術と比較して，高精度かつ高密度な積層体を製作可能なPBF-LB/Mは産業界において最も普及しており，すでにロケットエンジン部品やレーシングカー部品などに適用されている．しかしながら，低いレベルに留まる機械的特性および高い製造コストにより，前述のような極めて高付加価値な製品への適用に留まっているのが現状である．
特に，機械的性質の中でも疲労強度の向上は喫緊の課題であり，航空機や自動車など，長期間に渡る安全保障が不可欠な製品への適用を妨げている．PBF-LB/M積層体における疲労強度の低下は内部に発生する欠陥が主要因となっており，ＨＩＰ処理などの後工程によって内部欠陥を減少させる試みも行われているが，上記のニーズを満足するような疲労強度は担保できずにいる．
そのため，後工程ではなく，造形プロセスの改善が必要である．内部欠陥が生成される要因として造形中にランダムに発生するスパッタの混入が挙げられる．溶融池からスパッタは溶融金属が飛び出したものであり，材料となる金属粉末よりも直径が大きいため，金属床中に混入すると，レーザ照射によって十分に溶融させることが困難であり，積層体内において欠陥を生成させる要因となる．一方，レーザ溶接においてリングモードレーザを用いることでスパッタの発生を抑制できることが広く知られている．レーザスポット内のエネルギ分布を変えることによって，溶融池の面積を拡大させ，溶融池内の溶融金属の対流を緩やかにすることによってスパッタの発生を抑制できることが報告されている．本研究は，リングモードレーザを用いることによって，PBF-LB/Mプロセスにおけるスパッタの発生を抑制することを目的とするものである．

３ 研究内容（１）リングモードレーザを用いたスパッタ抑制可能なレーザ照射条件の探索(URL)
本研究では，まずリングモードレーザを用いた溶融ビードの形成実験を実施した．具体的には，市販のPBF-LB/M積層装置と同じレーザ発生源から照射されたシングルモードのレーザ光をビームシェイパを通すことによってリングモードに変換し，50 µmの厚さに堆積させたマルエージング
鋼粉末の溶融・凝固を試みた．なお，その際，レーザ走査速度を500～900 mm/s，レーザ出力を250～400Wまで変化させた．その結果，形成されたビードのSEM観察結果を図１に示す．同図より，レーザ出力350 W，走査速度500 mm/minの条件で，シングルモードのレーザと比較して同等の品質を有するビードを形成させることができた．さらに詳細に検討するため，ビードを切断し，その断面に対してナイタール液を用いたエッチングを施した後，SEMによる観察を実施した．その結果を図２に示す．同図より，リングモードレーザを用いた場合には，シングルモードレーザと同等の幅と高さを有するビードが形成されたことがわかる．一方で，ビードの下部に形成される溶融部は，リングモードレーザの方が幅が広く，深いことがわかる．これは，レーザスポット系内のエネルギ分布がリング状であるリングモードレーザによって形成される金属粉末の溶融池内の対流が緩やかであり，ベースプレートの溶解が促進されたためであると考えられる．
また，レーザ照射の様子を高速度カメラを用いて撮影した．その結果を図３に示す．同図より，リングモードレーザによる金属粉末の溶融・凝固プロセスにおいて，スパッタの発生が大幅に抑制されていることが確認できた．これは，リングモードレーザによって形成される溶融池内の緩やかな対流によって，溶融池外への溶融金属の飛散が抑制され，その結果，スパッタの発生が減少したものと考えられる．
Laser power
350W

300W

250W

500 mm/s

400W

300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm300 μm

900 mm/s

700 mm/s

Scan rate

600 mm/s

300 μm

図１ レーザ走査速度と出力が形成されるビード形状に及ぼす影響

100 μm

100 μm(a) シングルモードレーザ(b) リングモードレーザ

図２ ビード断面のSEM観察結果

大量のスパッタが発生(a) シングルモードレーザ(b) リングモードレーザ

図３ 金属粉末へのレーザ照射時の高速度カメラ観察結果（２）積層造形のスパッタレス化による内部欠陥抑制効果の検証
前項で求めた高品質のビードを形成可能なレーザ照射条件を用いて，S50C鋼ベースプレート上への面造形実験を実施した．面造形実験はハッチングピッチ50 µmとし，マルエージング鋼粉末を50 µmの厚さで堆積させ，窒素雰囲気中で，10×10 mmの面積に対して実施した．形成された造形物の外観写真を図４に示す．形成された造形物の表面に対して，触針式表面粗さ測定機を用いた測定によって算術平均粗さRaを算出した．図５に測定結果を示す．同図には，比較として，シングルモードレーザを用いて製作した造形物の測定結果も示した．図５より，シングルモードレーザと比較して，リングモードレーザを用いて製作した造形物の方が表面粗さが小さく，良好な造形面が形成されたことがわかる．これは，前項と同様にリングモードレーザにより形成される溶融池内の対流が緩やかであり，金属粉末が安定して溶融・凝固したためであると考えられる．
さらに内部欠陥の有無を調べるため，ナノフォーカスX線CTスキャン装置を用いた断面観察を行った．その結果を図６に示す．同図より，造形物内部には欠陥は認められないことがわかる．これは，シングルモードレーザを用いた場合でも同様の結果であり，同等もしくはそれ以上の欠陥率を達成できる可能性が示された．

5 mm
図４ 面造形物のマクロ観察写真

算術表面粗さ Ra [µm]6420シングルモード

リングモード図５ 造形物の表面粗さ測定結果
造形物

ベースプレート

1 mm
図６ 造形物のX線CTスキャン結果
４ 本研究が実社会にどう活かされるか―展望
金属加工におけるゲームチェンジャとなる可能性を秘めた金属AM技術は，様々な分野の工業製品への応用が期待されているが，機械的強度の不足による安全性の担保，製造コストなどの課題があるため，本格的な普及が進んでいない．本研究では，この状況を打破すべく，従来シングルモードレーザが用いられるPBF-LB/Mにおいてリングモードレーザを導入するという革新的な試みを行った．その結果，造形プロセス中に発生するスパッタを大幅に低減でき，内部欠陥の発生を抑制できる可能性が示された．この成果は，PBF-LB/Mを用いて製作した積層体の信頼性の向上につながり，同時にHIP処理などの後工程も削減できるものであることから，産業界でのPBF-LB/Mの普及促進に直結するものであると考えている．
しかしながら，我が国における金属AMに関する研究開発は欧米諸国に大きく後れを取っている分野である．欧米では，宇宙航空機産業や医療機器産業への金属AMの適用に向け，積極的な開発が行われているためであると考えられている．残念なことに，我が国では，航空宇宙・医療機器分野ともに迅速な開発を行なえる環境が整っておらず，世界に先駆けてこれら分野への金属AM技術適用を行うことは困難であると言わざるを得ない．そのため，我が国における国際競争力のある技術分野への応用を目指す必要があると考えている．その一つが金型分野である．金属AMを金型へ応用することによって，金型内部水管の複雑化や，複数部品で構成していた構造の一体化など多くのメリットがある．本研究で得られた成果を転用することによって，我が国の特徴的な産業のさらなる発展に寄与するものと期待している．

５ 教歴・研究歴の流れにおける今回研究の位置づけ
小生は，後期博士課程在学中から取り組んできたレーザを用いたものづくり基盤技術の開発に関するテーマについて継続的に取り組んでいる．レーザを用いたものづくり技術の中でも，本研究で取り扱う金属AM技術は産業界から注目と期待を集めている．これまでもPBF-LB/Mプロセスの高度化のための研究を行ってきた．例えば，レーザ走査パターンと積層体の残留応力とその反りに及ぼす影響について検討し，反りを低減可能なレーザ走査パターンを提案している．さらにPBF-LB/M積層体のさらなる高機能化・高付加価値化のため，トポロジー最適化と組み合わせた新しい設計製造プロセスの提唱も行っている．具体的には，トポロジー最適化によって導出された最適化モデルが有する中途半端な密度を示すグレースケールの取り扱い方法について検討し，密度を完全２値化する場合と比較して，最適化効果が大幅に向上することを見出した．現在，
PBF-LB/Mによって製作した積層体にポーラス構造を付与することによってグレースケールの具現化に取り組んでいる．この際，スパッタ由来でランダムに形成される内部欠陥は均質なポーラス形状の形成の阻害要因となることが危惧される．今後，本研究の成果であるスパッタレス造形プロセスを活用することにより，グレースケールを含んだ革新的な最適化モデルの具現化を目指す．
そのほか，溶融池内の対流についてCFDシミュレーションを用いた解析なども実施する予定である．これらの研究を通じて，PBF-LB/Mのオンリーワンの活用法の確立を図り，この分野の研究者としての立ち位置を確立していく所存である．
６ 本研究にかかわる知財・発表論文等「リングモードレーザを用いたスパッタレスPBF-LB/Mプロセスの開発」という題目で論文を執筆中
である．
７ 補助事業に係る成果物（１）補助事業により作成したもの
大 学 HP に 当 該 補 助 事 業 に よ り 研 究 活 動 を 実 施 し た 旨 を 掲 載 し て い る ．
(https://www.sanjo-u.ac.jp/research/teachers/ezura-atsushi/)（２）（１）以外で当事業において作成したもの
特になし
８ 事業内容についての問い合わせ先
所属機関名： 三条市立大学工学部（サンジョウシリツダイガク コウガクブ）
住担所： 〒955-0091 新潟県三条市上須頃5002-5
当者： 准教授（ジュンキョウジュ）担 当 部 署： 工学部（コウガクブ）
E - m a i l： ezura.atsushi@sanjo-u.ac.jp
ＵＲ

Ｌ： https://www.sanjo-u.ac.jp/

江面篤志