PBF-LB/M での工程分割によるスパッタレス造形法
金沢大学 設計製造技術研究所
教授 古本 達明（2020 年度 一般研究開発助成 AF-2020211-B2）
キーワード：粉末床溶融結合法，レーザ走査戦略，ドロップレット

１．緒 言

そこで本研究では，PBF-LB/M での高精度造形技術の確

各種部品の加工法は，除去加工，変形加工，付加加工に立に向け，粉末床の予備焼結と本造形に工程分割すること大別でき，Additive Manufacturing (AM)は付加加工に分でスパッタやヒュームの発生を抑制する手法を開発する類される手法である．2009 年に ASTM(American Society

ことを目的とする．まず始めに，自作した PBF-LB/M 装置

for Testing and Materials)によって，「3 次元モデルデを用いて造形を行い，レーザ照射部の粉末様相を高速度カータを用いて，多くの場合は層の上に層を重ねることで立メラで観察した．そして，商用の PBF-LB/M 装置を用い，体形状を得る除去加工とは対照的なプロセス」として定義

第一工程である粉末床の予備焼結について，単ラインで造されている 1)．1981 年に小玉秀男氏によって初めて同手形したときに生じるドロップレットの形態や粉末様相を法が提案されて以降

2)， Rapid Prototyping ， Rapid

調べるとともに，ドロップレットが均一に分散できる条件

Manufacturing, Rapid Tooling，Layered Manufacturing

設定指針を検討した．また，複数ラインで造形した時のレなどと呼称が変化し，現在では AM として統一されている．

ーザ照射間隔がドロップレットの形態に及ぼす影響を調複雑形状の一体造形による部品点数の削減や，トポロジ最べたので，以下に報告する．

適化理論を併用した軽量化部品の製作など，3 次元データがあれば比較的容易に複雑形状部品が得られるため，AMの工程を有機的に用いた部品群への適用が進んでいる．

２．レーザ照射部の可視化による粉末様相の解明
2.1 実験方法

近年は，金属材料を対象とした AM が注目を集め，粉末自作した PBF-LB/M 装置を図 1 に，実験条件を表 1 に示や線材などの材料形態，供給方法，熱源などによって複数す．同装置は，Yb ファイバレーザ(IPG フォトニクス㈱製:の手法が提案されている．そのなかで，プレートに対してYLR-300-AC-Y11) ， 高 速 度 カ メ ラ ( ㈱ フ ォ ト ロ ン 製 :薄層状に金属粉末を堆積させた後，レーザを選択的に照射

Fastcam Mini AX200)，リニアステージ(㈱ジイエムシーヒしながら溶融・凝固を繰り返し，得られた造形物を積層しルストン製: GHR25)，造形チャンバで構成されている．高て 3 次元形状を得る粉末床溶融結合法(Powder Bed Fusion

速度カメラはレーザ照射部の直上に設置し，造形チャンバ

using Laser Beam: PBF-LB/M)は，他の AM 法と比較して高を搭載したリニアステージを走査してレーザ照射部を観精度な造形物が得られる特長を有している．しかしながら，察した．レーザは焦点距離が 200 mm のレンズで集光し，レーザや環境因子を含めたプロセスパラメータが多く，こ粉末床に対して 40°傾けて照射した．このとき，粉末床れらが造形品質に影響する主要な因子であるにもかかわ上で楕円となるスポット径の短軸は 100～800 µm で変化さらず，各パラメータが相互に影響し合うことが PBF-LB/Mせた．造形チャンバの上面は石英ガラスで覆われており，で生じる現象理解を困難にしている．特に，PBF-LB/M でガラスを通してレーザ照射の様相が観察できる．造形チャの造形中に溶融池周辺から飛散するスパッタやヒュームは，造形欠陥や溶融不足などの不具合を誘発する因子としディフューザ

溶融池内部のマランゴニ対流の作用で飛散する液滴であり 3)，ヒュームは溶融池から気化した金属が噴出した後に高速度カメラ

造形物
レーザ レーザ走査方向
レーザ光て知られている．スパッタは，レーザ照射部から反跳力や造形チャンバ40°冷却されて凝集した粒子である 4)．スパッタやヒュームがレーザ光路に侵入すると，粉末床へ到達するエネルギを減衰させるだけでなく 5)，スパッタが造形物表面に付着するプレート
金属粉末と，表面性状の悪化や次層造形時の粉末堆積厚さを変化させる要因となる．スパッタやヒュームの発生を抑制するため，レーザ出力や走査速度などの条件を検討した報告 6),
プロセスチャンバ内部のガス流れを検討した報告 7), 粉末の再利用性に向けた造形雰囲気を検討した報告などがなされているが 8)，いずれもスパッタやヒューム発生を完全に抑制できるまでには至っていない．

リニアステージ

図1

自作した PBF-LB/M 装置

金属粉末
メディアン径
かさ密度
堆積厚さ
造形プレート
温度
表面粗さ
レーザ条件
レーザ種類
発振波長
出力
照射角度
走査速度
スポット径
高速度カメラシャッタ速度
フレーム数
撮影画素

実験条件

[℃]
[µm]

マルエージング鋼
33438050
S50C
253.34[nm][W][°][mm/s][µm]

Yb ファイバ(CW)
1070
30040150100, 800[µm][kg/m3][µm][s][fps]

1/50005000
640×480

ンバ内部は窒素ガスで充てんし，酸素濃度計 (東レエンジ
ニアリング D ソリューションズ㈱製: RF-400) で管理した．
粉末床は CCD レーザ変位計 (㈱キーエンス製: LK-080) で

図 3 は，スポット径の違いによる発生スパッタ数の変化を調べた結果である．発生したスパッタ数はスポット径が大きくなるにつれて少なくなった．スポット径が大きくなるとエネルギ密度が減少し，急激な粉末の相変化が生じなかったためと考えられる．また，スポット径が 300 µm までの条件では溶融池からのみスパッタが発生したのに対し，300 µm を越えると溶融池周辺のドロップレットからもスパッタが発生した．粉末床の溶融は，レーザ照射による粉末床の直接加熱と，プレート内部を伝導したエネルギによる間接加熱に分類できることが知られている 9)．スポット径が 300 µm までの条件では，レーザによって直接的に粉末床が加熱されて溶融池を形成する過程でスパッタが発生し，スポット径が 300 µm を越えるとプレート内部の熱伝導でも粉末床が加熱され，溶融池周辺で形成されるドロップレットからもスパッタが発生したと考えられる．

発生スパッタ数 個/mm2

表1120100806040200100 200 300 400 500 600 700 800
スポット径 µm

厚さが 50 µm となるように調整した．レーザ照射部から発生するスパッタは，レーザ照射距離 1 mm あたりに発生した個数として評価した．さらに，スパッタを抑制した造■ 溶融池から■ ドロップレットから

図3

スポット径による発生スパッタ数の変化

形条件の構築に向け，ビード形成時のレーザ照射工程を分割し，ビード形状やスパッタ発生数を評価した．

2.3 工程分割によるスパッタ発生の抑制効果
前節で得られた結果より，スパッタは金属粉末が相変化

2.2 スポット径の違いによる粉末様相の変化
粉末床でのスポット径が 100 µm と 800 µm のとき，高速するときに多く発生することがわかった．また，スポット度カメラで観察した溶融池周辺の様相を比較した結果を径が大きくなると溶融池周辺で形成されたドロップレッ

図 2 に示す．スポット径が 100 µm のとき，ビード周辺でトが再溶融し，これらが溶融池へ取り込まれることでビーは溶融した粉末によってドロップレットが形成される粉ドが形成されることが知られている 10)．そこで，粉末床末凝集領域が見られなかった．一方，スポット径が 800 µmへのレーザ照射を 2 工程に分割し，第一工程では大きなスの条件では，形成されたビード幅が狭く，その周辺にドロポット径でレーザ照射を行って照射部全体にドロップレップレットが散在していた．スポット径が大きくなると照ットを形成させ，第二工程ではドロップレットの再溶融・射部中心でのエネルギ密度が減少し，広範囲にレーザが照凝固でビードを形成させるプロセスを検討した．

射されることで粉末の溶融領域が大きくなる．照射部中心実験方法を表 2 に示す．本手法では，第一工程として付近では，ドロップレットが表面張力によって凝集して溶低エネルギ密度で粉末床へレーザ照射し，プレート表面に融池が形成されたのに対し，照射部遠方ではドロップレッドロップレットを形成される．その後，第二工程として高トが凝集されずに残存したためである．

エネルギ密度でレーザ照射してビードを形成させる．そのため，第一工程ではレーザ出力はスポット径を変化させた．
レーザ照射部の様相は，表 1 で示した高速度カメラの条件で観察した．
各工程で観察されたレーザ照射部周辺の粉末様相を比較した結果を図 4 に示す．第一工程でのレーザ出力は 150W，ビーム径は 1000 µm のときの結果である．第一工程で200 µm(a) 100 µm
図2200 µm(b) 800 µm

スポット径による溶融池周辺の粉末様相の変化

は，多くのドロップレットが粉末凝集領域内部で形成され，一部のドロップレットはプレート表面に凝着せずに飛散する様子が観察された．一方，第二工程ではレーザ照射部中心付近でドロップレットが再溶融することで溶融池が形成され，レーザの通過後にビードが形成されていた．第表2

二工程で飛散するスパッタ数は少なく，溶融池の大きさや工程分割造形の実験条件

レーザ出力
第 1 工程第 2 工程スポット径
第 1 工程第 2 工程走査速度

ビード形状は工程分割によって大きな差異は認められなかった．
造形工程の違いによるスパッタ発生数を比較した結果を図 5 に示す．工程分割することで発生したスパッタ数は70 %減少した．また，工程分割する場合，発生したスパッタの 90 %は第一工程で生じており，第二工程で生じたス[W]
150 - 300
300[µm]

[mm/s]

100 - 1000
100150パッタは 10 %であった．これらの違いは，工程分割によって粉末床の溶融・凝固様相が変化したためと考えられる．
第一工程では，粉末床に対してエネルギ密度が小さいレーザを照射してドロップレットを形成した．低エネルギ密度のレーザ照射で粉末床の温度上昇が抑制され，金属蒸気の発生量が減少して飛散したスパッタ量も減少したと考えられる．一方，第二工程では工程分割しないときと同じ高エネルギのレーザ条件であるが，粉末が溶融・凝固してド200 µm

200 µmロップレットが形成されていること，ドロップレットがプ(a) 第一工程(b) 第二工程
図 4 工程分割による粉末様相の変化

レート表面に凝着していることが相まってスパッタの飛散数が減少したと考えられる．また，工程分割しない場合，り込まれるのに対し，工程分割するとドロップレットの熱容量に起因して溶融池への取り込みに時間を要することが確認された．粉末形態の急激な変化が抑制されたことも，発生したスパッタ数が減少した要因であると考えられる．
ドロップレットを形成させる第一工程とビードを形成させる第二工程に分割することで，造形中にレーザ照射部周辺から飛散するスパッタが大幅に削減できることがわかった．次章以降では，本手法を社会実装することを目的として，商用の PBF-LB/M 装置を用いて検討した内容を報告する．

発生スパッタ数 個/mm2

レーザ照射部で金属粉末が瞬間的に溶融して溶融池へ取1008060■ 第一工程■ 第二工程40200

工程分割なし
図5

工程分割によるスパッタ数の削減効果

表3３．商用 PBF-LB/M 装置を用いたスパッタレス造形
3.1 実験方法
表 3 に実験条件を示す．実験に用いた商用 PBF-LB/M 装置は，波長が 1070 nm である Yb ファイバレーザを搭載した(株)松浦機械製作所製の LUMEX Avance-25 である．使用した金属粉末は，メディアン径(D50)が 33 µm のマルエー
ジング鋼であり，造形プレート(JIS:S50C)は溶融粉末のぬれ性を向上させるため，循環サンドブラスタ(秋山産業製:ASB-2 型)でサンドブラスト処理を施した．造形チャンバ
内部は，金属粉末の酸化を防ぐため窒素ガスで充てんし，実験中はチャンバ内部の酸素濃度が 3 %以下になるように工程分割あり

商用 PBF-LB/M 装置での実験条件

レーザ条件
レーザ種類
発振波長
出力
走査速度
スポット径
ハッチングピッチ[nm][W][mm/s][µm][µm]

Yb ファイバ(CW)
1070
100 – 200
100 - 2100
100 - 600
130 – 300

金属粉末
メディアン径
かさ密度
堆積厚さ

[µm]
[kg/m3][µm]

マルエージング鋼
33438050

した．そして，造形プレート上に厚さが 50 µm となるようして生じる「不十分ビード」， ベースプレートとともに粉に粉末を堆積し，レーザ出力，粉末床でのビーム径，レー末が溶融凝固して形成される「ドロップレット」，ドロッザ走査速度を変化させながら長さが 10 mm の単ライン造形

プレットがベースプレートに固着せずに飛散する「飛散」を行った．また，複数ラインの造形では長さが 10 mm でハに大別し，造形条件との関係を調べた．また，プレート上ッチングピッチごとに 5 本のレーザ照射を行った．得られに形成されたドロップレットについて，造形長さ 10 mm

た 造 形 物 は マ イ ク ロ ス コ ー プ (AnMo Electronics

あたりに形成されたドロップレット数を計測するととも

Corporation 製: Dino-Lite Premier)で観察し，溶融凝固に ， ド ロ ッ プ レ ッ ト の サ イ ズ や 分 布 様 相 を Imageが連続的に行われる「ビード」，不安定な溶融凝固に起因J(National Institutes of Health 製)で評価した．

3.2 条件による単ライン造形物の様相変化
700

ーム径の違いで生じる造形様相の変化を調べた結果を 図

600

6 に，各条件で得られた特徴的な造形様相を図 7 に示す．
造形物は，レーザ走査速度が速くなるにつれて，粉末床のビーム径が大きくなるにつれて造形物形態がビードからドロップレットへと変化した．エネルギ密度の減少にともなって粉末の溶融領域が変化したためである．金属粉末は，スポット径 µm

レーザ出力が 100 W のとき，レーザ走査速度や粉末床ビ〇：ドロップレット
×：ビード▲：不十分ビード △：飛散

500
400300200レーザ照射での入熱による溶融と溶融粉末の表面張力に100よる凝集によって溶融領域を形成し，レーザ通過後に冷却0されて造形物を形成する．エネルギ密度が大きい条件では，溶融粉末の領域がプレートを介した熱伝導に起因して広0200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
走査速度 mm/s

図 6 造形条件による粉末様相の変化がり，その粉末が凝集することでビードを形成した．エネ
ルギ密度が減少すると，レーザ照射部への入熱が減少する
ため，粉末の溶融領域の減少にともなって十分な溶融粉末が得られず不完全なビードが形成された 11)．さらにエネ
ルギ密度が減少すると，溶融粉末が減少することに加え，溶融領域の温度低下によって溶融粉末が凝集せずにドロップレットが形成された．しかしながら，エネルギ密度が極端に低い条件ではレーザ照射下部のプレートが溶融せ200 µmず，形成されたドロップレットがプレートに固着せずに留×：ビードまり，溶融領域周辺のガス流れ場の影響を受けて飛散した．

200 µm▲：不十分ビード

ドロップレットがプレート上に分散しながら凝着する条件は，7.0-9.0 J/mm3 であった．
3.3 レーザ出力によるドロップレット径の変化
レーザ走査速度が 1100 mm/s，粉末床のビーム径が 300µm のとき，レーザ出力が 100 W および 150 W の条件で造形して得られたドロップレトの分布を比較した結果を図200 µm〇：ドロップレット

200 µm△：飛散

8 に示す．レーザ出力が 100 W のとき，観察されたドロッ
図7

プレット数は 13 個であり，100～193 µm の大きさで分布得られた造形物の様相して平均粒径は 156 µm であった．一方，レーザ出力が 15012と 100 W の条件よりも小さくなった．これらの変化は，エネルギ密度が低下することで粉末溶融領域の温度が低下したことが要因であると考えられる．溶融池に生じる表面張力は，温度が低下するにつれて大きくなることが知られている 12)．レーザ出力が 100 W の条件では，150 W より投入エネルギが減少して温度が低下し，表面張力が大きくなってドロップレット同士の凝集が増え，ドロップレット個

サイズは 79～170 µm の範囲で分布して平均粒径が 124 µm

10

ドロップレット数

W のとき，観察されたドロップレット数は 24 個に増え，

864

100 W
150 W

20

数が減ってサイズが大きくなったと考えられる．また，レーザ出力で標準偏差に違いが見られず，ドロップレットのばらつきに対するレーザ出力の影響は小さかった．これらの結果から，プレート上に小さなドロップレットを均一に分散させるためには，ドロップレットが形成される造形条

ドロップレット径µm

図 8 レーザ出力によるドロップレット径分布の変化

件範囲のなかで大きなレーザ出力を選択する必要があることがわかった．

ッチングピッチの違いによる造形様相を比較した結果を

3.4 ハッチングピッチによる層造形物の様相変化

図 9 に示す．造形様相の模式図も併せて示している．ドロレーザ出力が 200 W，走査速度が 1700 mm/s のとき，ハップレットの形成様相はハッチングピッチによって変化した．ハッチングピッチが 250 µm の条件では，ライン造けて飛散する．ドロップレットがベースプレート上に形時のドロップレットが独立して形成されたのに対し，ハ凝着するエネルギ密度は 7.0-9.0 J/mm3 の範囲である．

ッチングピッチが 200 µm 以下の条件では既に造形された

2) ドロップレットが形成される造形条件の範囲では，レドロップレットが再溶融・凝固して一部がビード状の造形

ーザ照射部の温度に起因した表面張力の違いより，レ物となった．隣り合うレーザの照射領域が狭いためであり，ーザ出力が大きい方が小さなドロップレットが分散

適切なハッチングピッチとすることでドロップレットが散在することがわかる．

する．
3) 適切なハッチングピッチを選択することで，既に形成されたドロップレットが再溶融・凝固することなくドロップレットを分散させることが可能となる．

謝辞

本研究は，公益財団法人天田財団「一般研究開発助成」
500 µmの助成を受けて行われた．記して深甚なる謝意を示す．

参考文献(a) ハッチングピッチ：150 µm1)

ASTM, ASTM F2792-10e1: ASTM International (2012),671-673.

2)

Kodama, H.: Review of Scientific Instruments,
52-10 (1981), 1770-1773.

3)

Khairallah, S.A., Anderson, A.T., Rubenchik, A.,
King, W.E.: Acta Materialia, 108 (2016), 36-45.

500 µm4)(b) ハッチングピッチ：200 µm

Ladewig A., Schlick G., Fisser M., Schulze V.,
Glatzel U.: Additive Manufacturing, 10 (2016),
1-9.

5)

Tsubouchi, K., Furumoto, T., Yamaguchi, M., Ezura,A., Yamada, S., Osaki, M., Sugiyama, K.: TheInternational Journal of Advanced Manufacturing
Technology, 120 (2022), 1821-1830.

500 µm6)

M., Escano, L.I., Fezzaa, K., Everhart, W., Sun,(c) ハッチングピッチ：250 µm

T., Chen, L.: Additive Manufacturing, 36 (2020),

図 9 ハッチングピッチによる粉末様相の変化

101438.
7)

４．結 言
本研究では，レーザ照射部から発生するスパッタやヒュYoung, Z.A., Guo, Q., Parab, N.D., Zhao, C., Qu,Anwar, A.B., Pham, Q.C.: Additive Manufacturing,22 (2018), 86-97.

8)

Yamaguchi, M., Kushima, K., Ono, Y., Sugai, T.,

ームを抑制するため，粉末床の予備焼結と本造形に工程分

Oyama, T., Furumoto, T.: Journal of Materials

割する手法を提案するとともに，第一工程である粉末床のProcessing Technology, 311 (2023), 117817.

予備焼結について，単ラインで造形したときに生じるドロップレットの形態や粉末様相を調べた．また，面造形時のハッチングピッチがドロップレット形態に及ぼす影響を調べた．得られた結果は以下の通りである．
1) レーザ走査速度や粉末床でのビーム径が大きくなると，造形物の形態がラインからドロップレットに変化

9)

Furumoto, T., Oishi, K., Abe, S., Tsubouchi, K.,
Yamaguchi, M., Clare, A.T.: Journal of Materials
Processing Technology. 299 (2022), 117384.

10) Furumoto, T., Egashira, K., Munekage, K., Abe, S.:
CIRP Annals,

Manufacturing Technology,67-1(2018), 253-256.

する．エネルギ密度が極端に低い条件では，ベースプ

11) 古本達明・上田隆司・細川晃・Abdullah Yassin・阿レートが溶融しないためドロップレットがプレート

部諭：精密工学会誌，74-8 (2008)，836-840.

上に固着せず，溶融領域周辺のガス流れ場の影響を受

12) 田中敏弘・原茂太：まてりあ，36-1 (1997)，47-54.