AM 実用化拡大に向けた技術開発
樋.

は じめ

口官男に三次元 CAD データから直接三次元形状の造形が可能である 積 層 造 形 技 術 ( Additive Manufacturing 以 下 ， AM と 略す)は，1987年に実用化されてから四半世紀が経つ．以前はラピッド・プロトタイピング(RP)と呼ばれ，試作品を製作する手段として活用されてきたが，技術の発展に伴い試作品だけではなく，製品そのものの製造に使われるなど，その用途は着実に広がりつつある(1)．なかでも金属粉末をレーザで図1

EOS

レーザ溶融型金属 AM シリーズ概要．

溶融させ，三次元形状を製作する金属粉末床溶融法は造形物の機械的性質，経時的な安定性から最終製品への適応が最も進んでいる AM 技術の一つである．昨今， AM はコストアレス，アルミニウム，チタニウム合金，ニッケル基合金，コドバンテージ，オーダーメイド生産，機能形状等のアドバン

バルトクロム合金の純正材料に対し，高品質な造形が可能なテージが注目されて急速に拡大している．欧米では AM 適造形パラメータセットを用意している．また EOS 社が提供応事例が多く見受けられ，特に航空宇宙，ガスタービン分野している金属材料以外にも材料開発は可能ではあるが，材料は多い．例えば GE 社の LEAP エンジン用フューエルノズ

特性に合わせた造形パラメータを開発するためには金属材料

ルは，三次元チャンネルによる最適フローや，軽量化，部品と造形プロセスに関する深い知識と知見が必要となる．弊社

点数削減による堅牢化等， AM 部品の代表とも言える事例の開発拠点である AM 研究所では， EOS 社の金属積層造形である．粉末レーザ溶融型金属積層造形機で世界 No 1 のシ機を 7 台有しており，新規材料開発や，照射パラメータ開ェアを有するドイツ EOS 社のレーザ溶融型金属 AM システ発を積極的に取り組んでおりその成果を上げている．本稿でムシリーズ概要を図に示す． EOS 社のシステムは粉末床は航空宇宙，ガスタービン分野で使用されるニッケル超合金溶融結合法/パウダーベッドフュージョンタイプと言われる

IN718 材の AM 実用化拡大に向けて課題となる金属粉末リもので，粉末状の材料をイットテルビウム・ファイバーレーサイクルに関する実験，およびガスタービン分野で使用されザで溶融させて造形する．

る IN939の造形パラメータ最適化について述べる．

近年，各装置メーカーが取り組んでいるのが装置の大型化である． EOS 社も 2014 年にワークエリアが 400 mm × 400

.

粉末のリサイクルmm × 400 mm の大型機( M400 )をリリースしている．さらに 2016 年には M400 にレーザを 4 本搭載した M400 4 をリ

粉 末 レ ー ザ 溶 融 型 金 属 積 層 造 形 ( 以 下 SLMSelective

リースし，従来機に比べ最大 4 倍の生産性向上を達成した．

laser melting )は一層毎に金属粉末を撒き，形状断面部にレ最終製品を製作する AM は製品の機械的性質が重要であーザビームを照射して溶融・凝固させる．これを繰り返すこり，形状再現性だけでは AM そのものを否定されることにとにより三次元形状を積層的に造形する(図)．溶融・凝固なりかねない．金属積層造形機は300を超える造形パラメー

されなかった粉末は造形後に回収してリサイクル材として再タを有しており，特に EOS 社はマルエージング鋼，ステン利用するが，このリサイクル回数が増えることで，粒度分布

株式会社 NTT データエンジニアリングシステムズ アディティブ・マニュファクチャリング事業部 開発部 技術開発課課長代理(〒5620035 箕面市船場東 2658)
Technology Development to Expand Practical Usage of AM; Norio Higuchi(NTT DATA ENGINEERING SYSTEMS CORPORATION,Minoo)
Keywords: additive manufacturing (AM), selective laser melting (SLM), stable quality, recycle alloy powder, In939, Ni based alloy, mechanicalproperties
2017年 7 月20日受理[doi:10.2320/materia.56.699]

ま て り あ 第56巻 第12号(2017)
Materia Japan




図3
図2

造形中のスパッタ．

レーザ溶融型 AM システム．の変化，組成変化，流動性変化，不純物の混入等から造形物への悪影響が懸念される．常に新材での造形であれば，これらの懸念は不要であるが材料費用の負担が多く，部品コストが上がるため，粉末のリサイクルは必要不可欠である．しかしながら粉末のリサイクル回数に関する規定がなく報告も少ないため，粉末の管理は装置ユーザーに委ねられているのが現状である．そこで今回，金属粉末のリサイクル回数に最も影響が高いと考えられるスパッタに焦点を当て，リサイクル材と造形物の関係について実験を行なった．


図4

スパッタ外観．

表1

各種 In718粉末．

実験方法

レーザが粉末を溶融させるとき，主にメルトプールからの気泡放出等が要因でスパッタが発生する(図)．発生したスパッタは，小粒子から 100 mm 以上の大粒子となり多方に飛散する． EOS 社の金属積層造形機で使用している粉末は，No.

名称概要A

スパッタ100

63 mm 以上の材料分での粉末充填密度が大きく異なり，レーザ出力が一定条件

B

スパッタ 150 mm

A を目開き 150 mm の篩にかけた材料

下では，溶解するためのレーザエネルギーが均一に伝達できC

スパッタ 100 mm

A を目開き 100 mm の篩にかけた材料

D

スパッタ50

C とリサイクル材を重量比 11 で混合した材料

E

スパッタ20

C とリサイクル材を重量比 15 で混合した材料

F

リサイクル材63 mm 以下の材料

63 mm 以下である． 63 mm 以上の粉末が存在すると極所部ず，未溶融が生じてシーブアウトの欠陥となる．そのため造形後は目開きが 63 mm の篩にかけ，大粒子のスパッタを分級する．分級された大粒子のスパッタは不純物やワークスペース内の酸素が影響して変色している．しかしながら，小粒子となったスパッタはふるいでは除去できず，リサイクル材の中に存在したまま再利用される．
材料は航空宇宙分野等で多く使用されている IN718 材を実 験 対 象 の 粉 末 と し た ． 新 材 150 kg で 造 形 高 さ 約 290て 80 °C に予熱した．造形物の内部観察は積層方向に対してmm，照射体積 1,090 cm3 の造形物を造形し，造形後に回収平行な断面を鏡面まで研磨し，光学顕微鏡にて充填面積率をした粉末を目開き 63 mm の篩にかけ，ふるい落ちなかった

測定した．粉末および造形物の成分分析については， C, O大粒子のスパッタ(図)を使用した．実験パターンは表では赤外線吸収法， N は熱伝導度法，その他の主金属成分は示す 6 種類とし，リサイクル材はリサイクル回数 15 回のもICP 発光分光分析法を用いて測定した．また，機械的性質はのとした．造形機は EOSASM290とし，積層厚さ 40 mm，レbuild で測定した．硬度測定は HB(ブリネル硬さ)で測ーザ照射条件は EOS が提供する標準パラメータ，アルゴン定，引張試験は平行部直径 3.0 mm 平行部長さ 18 mm のダガス雰囲気にて酸素濃度を 0.1以下とした．造形の基板とンベル棒状試験片を積層方向と垂直に造形して N3 で測定しなるベースプレートは装置に内蔵されているヒーターを用いた．



ミ ニ 特 集表2各粉末組成．
(単位は mass，O, N は ppm)

ACr

Mo

AlTiNbC

O

N

19.2

3.1

0.5

1.0

5.20.040

500

146B

未測定

0.039

600

144C

未測定

0.041

600

146D

未測定

0.048

400

107E

未測定

0.043

400

88

F

19.1

3.1

0.60.95.30.048

290

75

新材

19.1

3.10.51.0

5.50.046

15033規格値

17.021.0

2.83.3

0.200.80

0.651.15

4.755.5

＜0.08

図6

表3図5

光学顕微鏡観察写真および充填面積率．

No.

粉末溶融時の模擬図．

機械的特性結果．
硬度(HB)

引張り強さ(MPa)0.2耐力(MPa)

伸び()

A

スパッタ100

294―――

B

スパッタ 150 mm

286984695

22.6

表は各粉末の組成分析を示す．新材とスパッタ材を比較

C

スパッタ 100 mm

286991688

31.2

すると，基本組成では Nb の量が減少しているが誤差範囲でD

スパッタ50

286987

680

32.7

E

スパッタ20

271988

665

33.4

F

リサイクル材27198765134.4




結果と考察

あり規格値内である．いずれにしても微量の変化と言える．
また不純物となる C に関しては，それほど変化していないが，O および N の含有量が増加していることが分った．
図に研磨後，光学顕微鏡で観察した写真および各試験片の充填面積率を示す．スパッタ材は，いずれの粒度でも充填面積率は低下する．これは，粒子が大きいことでかさ密度が低くなり，レーザにて溶融された粉末は大きく沈み込み，次表4

粉末および造形物成分(ppm)．

No.

ONA

スパッタ100

30080

粉末層が厚くなり，投入レーザエネルギー密度が不足して製B

スパッタ 150 mm

40095

品内部に欠陥が生じる．一方，リサイクル材にスパッタ材をC

スパッタ 100 mm

30078

混合することで，充填面積率は99.9以上の高密度を得るこD

スパッタ50

29060とができた．これはリサイクル材の小さい粒子が増加し，スE

スパッタ20

26046F

リサイクル材24038

層で通常より厚く撒かれる(図a )．これを繰り返すことでパッタ材の粉末間に入り込むことで，かさ密度が高くなったと考えられる(図 6b)．
表に硬度(HB)，引張強さ，0.2耐力，伸びを測定した
結果を示す．ただし，引張試験ではスパッタ100(A 材)の素の濃度がスパッタ混合量に伴って上昇する結果と照らし合造形は実施しなかった．各粉末の引張強さは同等な値を示しわせてみると，ごく少量の酸素と窒素が侵入型原子として金ている一方，硬度と 0.2耐力はスパッタ混合量の増加に伴属結晶格子中に存在し金属結晶に歪みを与え，弾性領域でのって徐々に増加する傾向であった．表の造形物の酸素と窒強化に繋がった結果， 0.2耐力が上昇したと考えられる．

ま て り あ 第56巻 第12号(2017)
Materia Japanまたスパッタ混合量の増加に伴い，延性は僅かに低下するも造形条件は 3 種類に限定し，そのエネルギー密度を表にのの，依然として高い値を示している(スパッタ 150 mm 以示す．造形中はアルゴンガス雰囲気にて酸素濃度を 0.1以外)．これは粉末表面に存在している酸素と窒素が造形過程下とした．造形の基板となるベースプレートは装置に内蔵さで蒸発し，固溶化する量が僅かなため粒界に金属化合物としれているヒーターを用いて 80 °C に予熱した．造形物の内部て析出せず，高延性を示していると考えられる．一方，スパ観察は角 10 mm のブロックを積層方向に対して平行な断面

ッタ 150 mm の伸びが著しく低下しているのは，かさ密度がを鏡面まで研磨し，光学顕微鏡にて充填面積率を測定した．

低く，大きな欠陥(図 5B)が形成されたため，塑性変形過程

また，機械的性質は Asで，き裂が発生し延性が損なわれたと考えられる．以上のこ部直径 3.0 mm 平行部長さ 18 mm の棒状試験片を積層方向とから， 150 mm 以上のスパッタは，かさ密度の低下によと垂直に造形し，N3 で測定した．

り，粗大欠陥を形成させるため，リサイクルすることは望ましくない． 100 mm 以下のスパッタは，リサイクル材に存在build で測定した．引張試験は平行結果と考察しても機械的特性に悪影響を及ぼさない．従って粉末のリサ図は三種類の照射パラメータにて造形した造形物の内部

イクルは EOS 標準のリサイクル方法である，目開き 63 mm観察および充填面積率である． A はクラックが多く発生しの篩にかけることで，機械的特性を主軸にした品質は担保さているため充填面積率も低い．それに対して B と C は多少れているといえる．今回は Ni 基超合金におけるスパッタのの空隙が観察できるがクラックは発生しておらず，充填面積影響を調べた結果であるが，不純物に敏感な Ti 合金でのス率も99.95以上と高密度な緻密体を得ることができた．
図は各造形体の引張強度， 0.2耐力，伸びを測定し，パッタ量は更にコントロールすることが望まれる．

比較した図である． A の引張強度， 0.2耐力に関しては，

. IN939造形実験

三種類の照射パラメータの中で一番高い強度を示したが延性が低い．A の延性低下は図 7A で示している通り，クラック

IN939 は，高温での高強度および耐食性に優れた Ni Cr の大量形成による影響と考えられる．また， B と C に関しCo 系の Ni 基超合金である．主な用途としては，ガスターては，引張強度， 0.2耐力，延性ともに，ほぼ同様の結果ビンの動翼/静翼ブレードやバーナーノズルのような高温環を得ることができた．従って強度と延性の両立を実現した造境下に使用されている．この耐熱性と耐食性が要求される合形パラメータ領域が存在することが明らかとなり，SLM で金の強化には g ′相析出が利用され，強化元素として g ′の主の IN939 応用が可能であることが分かった．また緻密度の要構成元素である Al や Ti が添加されている(表)． Ni 基

大小に関係なく，機械強度( 0.2耐力および引張強さ)は照超合金の中でも比較的低い g ′含有率を有する IN718 の緻密射パラメータにより，形成される金属組織の変化が関わって体を製作することは比較的容易である．しかし IN939 は g ′析出量が多いと予測される(2)．急速溶融急冷凝固プロセスで表6造形条件とエネルギー密度．と推測される．そこで今回，レーザ照射パラメータであるレNo.

E( J/mm3)

ーザ出力，走査速度，走査ピッチを調整して緻密体を製作

A116.7し，その機械的性質を測定した．

B88.7

C68.1

ある SLM では，造形中に微小な割れが造形物内部に生じる




実験方法

粉末は山陽特殊製鋼株式会社製を使用した．粒度は 63mm 以下の材料を使用した．造形機は EOS

M290とし，レーザ照射条件はエネルギー密度 E ( J / mm3 )を基準に P を出力( W )， v を走査速度( mm / s)， s を走査ピッチ( mm )， t を積層厚さ(mm)として，以下の式で計算される(3)．

E＝Pv･s･t

図7

表5

光学顕微鏡観察写真および充填面積率．

Ni 基金属組成成分(mass)．

NiCrCoTiWTa

AlNbFeCIN718

50.055.0

17.021.0＜0.10.651.15(Mo 2.83.3)(Cu ＜0.3)

0.200.80

4.755.5

Bal＜0.08IN939

Bal

22.50.19

3.6

2.0

1.41.9

1.0―

0.15


ミ ニ 特 集.

おわりに

欧米では金属 AM の開発が加速し，実用化が拡大しており， AM に関する新しい情報が毎日のように入ってくる．
日本でも徐々に AM という製造方法が広まりつつあるが，欧米と比較すると遅れていることは否めない．本稿ではAM を推進していくに重要である，品質管理と照射パラメータ開発の一部を紹介した．今後もこのような基礎研究や技術開発を示すことで，国内での AM 技術推進に貢献する所存である．

文
図8

献

機械的強度試験結果．

ータで金属組織の異方性を制御できることも分っており，こ( 1 ) 酒井仁史特殊鋼，65(2016), 3640.
( 2 ) K. Kusabiraki, L. Wang, T. Ooka and K. Yamada鉄と鋼，76(1990), 13411348.
( 3 ) T. Kimura and T. Nakamoto: J. Jpn. Soc. Powder Powder
Metallurgy, 61(2014), 531537.

れを活用すれば新たなアプリケーションを生み出せると考え★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

いると考えられる．本稿では記載していないが，照射パラメる．また今回の実験は As

1999年 広島電機大学大学卒業
2000年 昭和情報機器株式会社 サービスエンジニア
2007年 NTT データエンジニアリングシステムズ
AM 技術開発
専門分野機械工学◎金属積層造型機を使用したアプリケーション開発，
AM 最適設計や材料のプロセス開発に従事．

build での測定を行なったが，Ni

基超合金は高温での高強度が本質のため，引き続き高温試験を実施する予定である．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★
樋口官男

ま て り あ 第56巻 第12号(2017)
Materia Japan