2021さかきモノづくり展『金属3Dプリンタ技術の現状と課題』
東北大学 金属材料研究所○千葉晶彦、共同研究者：青柳健大、趙宇凡、山中謙太、

発 表 内 容・ 電子ビーム積層造形とレーザー積層造形の特徴
・PBの溶融挙動に及ぼす粉末粒度分布（PSD）の影響

・ PB溶融凝固挙動に及ぼす粉末形状の影響 （溶質trapping）

パウダーベッド溶融方式の積層造形

電子ビームやレーザーを熱源としたパウダーベッド溶融結合

✓ 良好な
粉体流動性

良質な
パウダーベッド

Flowability

spredability

造形物に内部欠陥が現れにくい

粉末の流動性は、パウダーベッド方式積層造形において、動的粉末挙動に影響を及ぼす重要な因子である。優れた流動性により、粉末は滑らかに敷き詰められる。(Flowability ≠ spredability)3

高速度カメラによるMPのモニタリング
Line Offset: 0.2 mm

msec

電子ビームレーザー

4

EBとLBのsingle-melt-track 試験
初期 T: 1123 K 電子ビーム (Arcam ®)レーザー (Concept laser ®) 初期 T: 298 K
Eline = 6 J/mm
Top view P = 800 W, V = 100 mm/s
P = 210 W, V = 35 mm/s

Side view
P = 800 W, V = 100 mm/s

Eline = 8 J/mm

P = 280 W, V = 35 mm/s

P = 1000 W, V = 100 mm/s

Eline = 10 J/mm

P = 350 W, V = 35 mm/s

Pre T: 298 K

Pre T: 1123 K
1 mmmm
-0.25-0.12500.1250.25

エネルギ密度が高い場合、電子ビームプロセスよりレーザープロセスの方が凹凸が多い。

5

実験結果
OM観察

P = 210 W,
V = 35 mm/s

P = 800 W,
V = 100 mm/s

Eline = 6 J/mm

100050001600

Depth (μm)

1400

Eline = 10 J/mm

Width/Depth

初期 T:1123 K

Eline = 8 J/mm

P = 280 W,
V = 35 mm/s

Depth

Width

P = 350 W,
V = 35 mm/s

P = 800 W,
V = 100 mm/s
P = 1000 W,
V = 100 mm/s

レーザー (Concept laser ®) 1500
Width (μm)

電子ビーム (Arcam ®)

1200
1000
800
600
1.5

初期 T:
298 K

10.50

6810Line energy (J/mm)

レーザープロセスでは、メルトプールは狭くて深い。

6X-CT observation
Electron beam
(Arcam ®)Laser beam(Concept laser ®)Pre T: 25 ℃

Pre T: 1050 ℃

P = 1000 W, V = 100 mm/s

Eline =10 J/mm

P = 350 W, V = 35 mm/s

Hufan Zhao PhD Thesis 2019 Tohoku University

レーザー溶接における溶融池の形状に及ぼすレーザー
ビーム出力密度の影響

P=1kW
Bd=1mm

P=1kW
Bd=0.1mm

40.6kW/mm2

Buvanashekaran G, Shanmugam SN, Sankaranarayanasamy K, Sabarikanth R. A studyof laser welding modes with varying beam energy levels. Proc Inst Mech Eng, Part C: JMech Eng Sci 2009;223:1141–56.

シミュレーション：結果
初期 T: 1123 K 電子ビーム (Arcam ®)レーザー (Concept laser ®) 初期 T: 298 K
Eline = 6 J/mm

動画

Eline = 10 J/mm

動画

ポア
電子ビームプロセスにおいて、深いメルトプールが形成されるが、熱源が経過すると表面に凹凸か形成されずに、内部にもキーホール由来の欠陥は形成されない。

レーザープロセスの場合は、表面に凹凸が形成されて、窪みと盛り上がりが周期的に形成される。内部には、キーホール由来の欠陥が多数形成される。

9

シミュレーション：結果
キーホール由来の欠陥の形成

t1t2t3

流速t4t5

不安定なキーホールは崩壊し、ボイドが形成される。 ボイドはメルトプールの後ろに移動する際、前進する凝固界面に閉じ込められるため、ポアが生じる。
電子ビームとレーザーの両熱源の特徴と加工条件に基づき、メルトプールの不安定性に対する種々の物理的効果の影響について、シミュレーションを通して考察する。

シミュレーション：考察①メルトプール挙動に対する蒸発圧の影響
蒸発圧 (Vapor recoil pressure):
エネルギ密度が高い場合、溶融部界面が蒸発し、その反力によって界面が凹んで深くなり、メルトの不安定性が向上される。
𝑝recoil 𝑇 = 𝐴𝒑𝟎 exp∆𝐻LV 𝑇 − 𝑇V
𝑅𝑇𝑇V

真空(0.1 Pa)

Atmosphere gas (𝒑𝟎 )𝒑𝟎 –環境気圧

Precoil

Evaporated metalMelt

初期 T: 1123 K; Eline = 10 J/mm

蒸発圧は、 環境気圧に大きく依存する。
大気圧(101000 Pa)

動画

ポア

溶融中の最大蒸発圧

Max
3rd quartile
MeanMedian
1st quartileMin

環境気圧は蒸発圧の大きさを決める。 電子
ビームプロセスの真空条件において、メルトプールの安定性に対する蒸発圧の悪影響は最小限に抑えられる。
11

シミュレーション：考察②メルトプール挙動に対する多重反射の影響
レーザー多重反射 (Laser multiple reflection):

キーホールで吸収されるレーザーのエネルギーは、ガウス分布の表面熱流束にフレネル吸収モデルを適用して計算する。
Fresnel Reflection:
Keyhole surface

多重反射無効初期 T: 298 K

多重反射有効動画

ポア＊無効：2回目以上の反射の無効化

レーザープロセス(Eline = 10 J/mm)

多重反射が無効化されると、内部欠陥の形成傾向も減少する。
12

Majumdar T, Bazin T,
Massahud Carvalho
Ribeiro E, Frith JE, Birbilis N(2019) Understanding
the effects of PBF processparameter interplay on
Ti-6Al-4V surface properties.
PLoS ONE 14(8):e0221198.https://doi.org/10.1
371/journal.

Secondary electron micrographs of polished surfaces corresponding to various laser parameter
combinations. Burn-through pores circled in red, lack of fusion pores (with partially meltedparticles) circled in blue, and near-spherical pores circled in green.

2020年7月に打ち上げられた、パーシビアランスの重要な搭 載機器は、X線分析装置により岩石の組成を分析する惑星 計測器(PIXL：PlanetaryInstrument for X-ray Lithochemistry)です。ロボットカンチレバーアームの端部か ら張り出した部
位に取り付けられたPIXLアセンブリは、 NASAジェット推進研究所(JPL)のエンジニアによって設計さ れ、物理的に厳しく不良な環境でも精密な化学分析や実験 を行うために設計されました。

発 表 内 容・ 電子ビーム積層造形とレーザー積層造形の特徴
・PBの溶融挙動に及ぼす粉末粒度分布（PSD）の影響

・ PB溶融凝固挙動に及ぼす粉末形状の影響 （溶質trapping）

パウダーベッドの溶融・凝固粉末の粒度分布（PSD）の違いにより、パウダーベッドの溶融凝固挙動がどの様に影響を受けるか

Yufan Zhao, Yuichiro Koizumi, Kenta Aoyagi, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba

Thermal properties of powder beds in energy absorption and heat transfer during additivemanufacturing with electron beam, Powder Technology, 381 (2021) 44−54.
doi:10.1016/j.powtec.2020.11.082

粉末の粒度分布（PSD）の違いにより溶融挙動は異なる？
GA-ガス噴霧粉末

PREP-プラズマ回転電極粉末

300 μm

粒度分布300 μmParameters

ValuesParticle density, 𝜌𝑎8287 kg/m3

Young’s modulus, 𝐸

220 GPa

Poisson’s ratio, 𝜈0.30

Friction angle, 𝛷GA:29°; PREP: 24°

Restitution
coefficient, 𝑒0.15

研究内容
数値シミュレーションを使ってEBM でのパウダーベッドの溶融プロセスで、粉末層の特徴（空間配列と粒度分布)の影響について研究する。

メルトプールの安定性における粉末層の役割について
粉末無し

P = 600 W(a-1)

V = 300 mm/s

(a-2)

V = 300 mm/s(b-1)

V = 1000 mm/s(b-2)

V = 1000 mm/s(c-1)

V = 1500 mm/s(c-2)

V = 1500 mm/s

一層粉末
V = 300 mm/s

(d-2)

PREP パウダー
V = 300 mm/s(e-1)

V = 1000 mm/s(e-2)

V = 1000 mm/s

(f-1)

V = 1500 mm/s

(f-2)

V = 1500 mm/s

P = 600 W
(d-1)

-70

Beam scan direction

2 mm-50-30-1010305070

Height (μm)

• 粉末層の存在は、メルトプールの乱れに繋がる。比較的高い走査速度でのメルトトラックでは、不連続とBalling欠陥が生じやすい。

メルトプールの安定性における粉末層の役割について
粉末無し

一層粉末

P = 600 W

Motenpool(a-1)

w/o powder
w/ powder(b-1)

V = 1000 mm/s

(a-2)

(b-2)

V = 1500 mm/s

(a-3)

(b-3)

200 μmV = 300 mm/s V = 1000 mm/s V = 1500 mm/s

メルトプール体積

V = 300 mm/s

• メルトプール体積は、粉末なしのほうが、粉末ありのほうより大きい。
21
粉末層の存在により、熱伝達条件が変えられる。

パウダーベッドの熱物性
熱伝導と熱放射が粉末層の有無により異なる
Electron beam

𝑄bed =

𝜂𝑃
4 − 𝑇4−𝜀𝜎𝐴𝑇bedsa𝜋𝑟 2

パウダーベッド
熱放射(Stefan表面における 電子ビームのエネルギー Boltzmann Law)
吸収した熱流Powderbareplate

パウダーベッド： Powder + Solid

パウダーベッドの放射率:𝜺𝐛𝐞𝐝= 𝐹powder 𝜺𝐩𝐨𝐰𝐝𝐞𝐫 + 1 − 𝐹powder 𝜺𝐛𝐚𝐫𝐞 𝐩𝐥𝐚𝐭𝐞𝜀powder = 𝐴h 𝜀h + 1 − 𝐴h 𝜀solid𝐴h : Area fraction of the surface occupied by holes.
𝜀h : The emissivity of the holes 𝜀h is a function of solidemissivity and the packing porosity 𝜑.

𝐹powder : パウダーが占める投影面積率
0.908𝜑2𝑨𝐡 =,1.908𝜑 2 − 2𝜑 + 1𝜺𝐡 =1−𝜑 2𝜀solid 2 + 3.082
𝜑1−𝜑 2𝜀solid 1 + 3.082+1𝜑.

22溶融プロセスに対するPSDの影響

Chapter 4

Experimental verification
Sing-track melting experiments
Co-Cr-Mo powder & Co-Cr-Mo plate
P = 300 W, V = 1000 mm/s
① Large-size powder② Small-size powder

Low 𝜀bedHigh 𝜀bed

1 mm

P = 600 W, V = 1000 mm/s
① Large-size powder

Low 𝜀bed② Small-size powderHigh 𝜀bed

1 mm• 実験結果とシミュレーション予測の間には大きな一致が示されました。

• 高出力条件下では、小サイズの粉末を使用した溶融トラックの表面品質が改善されました。
与えられた層の厚さの下では、全体のサイズが小さい粉体層を溶融するには、比較的大量の入力エネルギーが適切です。
23

溶融プロセスに対するPSDの影響
熱放射がパウダーベッド溶融に与える影響を調べる

𝜂𝑃
𝑄bed = 2 − 𝜺𝐛𝐞𝐝 𝜎𝑆 𝑇s4 − 𝑇a4𝜋𝑟

High 𝜀bed

Decreased energy
absorption

Insufficientmelting

Simulation

CoCrMo powder (small size): P = 300 W, V = 1000 mm/s

With heat radiation

Without heat radiation-70-50Powder with different shape

GA powder

PREP powder-30-1010305070Height (μm)

異なる表面状態の異なる粉末タイプ
PBF-EBの溶融プロセスに及ぼす粉末形状の影響
24を調査する。

発 表 内 容・ 電子ビーム積層造形とレーザー積層造形の特徴
・PBの溶融挙動に及ぼす粉末粒度分布（PSD）の影響

・ PB溶融凝固挙動に及ぼす粉末形状の影響 （溶質trapping）

パウダーベッドの溶融・凝固粉末形状が電子ビーム積層造形の溶融凝固挙動に与える影響について調べる。

・Co-28Cr-6Mo 合金
・インコネル718合金Yufan Zhao, Kenta Aoyagi, Yohei Daino, Kenta Yamanaka, Akihiko Chiba
Significance of powder feedstock characteristics in defect suppression of additively
manufactured Inconel 718,
Additive Manufacturing, 34 (2020) 101277.
doi:10.1016/j.addma.2020.101277
26

Methods
Materials and EB-PBF processing

Inconel 718 (IN718) alloy
powders fabricated by twomethods: GA & PREP

(mass%)

i. Gas atomization (GA)100 μmGA
PREP

ii. Plasma rotating electrode process (PREP)

100 μm

25 μm

PSD

GAPREPSphericity

25 μm合金粉末特性（形状）とパウダーベッドの溶融挙動の関係✓ PREP-powder

P = 300 W, V = 1000 mm/s

GA-powderP = 300 W, V = 1500 mm/s

GA-powder

3 mm✓ PREP-powder

3 mm

Height (mm)-0.1

0.00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

真円度の高いPREP粉末は、溶融池の安定性に優れ、プロセスウィンドウの拡大に効果を発揮する。

PBの溶融に対する粉末形状の影響
PREP-powder

Chapter 5
DEM simulated powder bed withdifferent powder type

GA-powder

Inconel 718: P = 300 W, V = 1000 mm/sSimulation✓ PREP-powder

PackingdensitySurfacearea (cm2)PREP

0.308438.3285

GA0.3507

46.8526

𝑃bed = 𝜂𝑃 − 𝜀bed 𝜎𝐴𝑇s 4

GA-powder

1 mm-175-125-75-25

2575125175

Height (μm)

Large total surface area of
GA-powder bed

High 𝜀bed

Decreased energy
absorption

Insufficient melting
and wettingHigh balling
tendency29Surface roughness
Dense & Even

UnevenPorous&Density

Process window
Dense & Even

Fig. 3. One batch of Inconel 718 cuboid samples with dimensions of 15 mm × 15mm × 20 mm fabricated on a SUS304 substrate.
Additive Manufacturing 34 (2020) 101277

加えられた体積エネルギーによるサンプル密度の変化
それぞれの安定した密度値に到達するために、GA粉末はPREP粉末よりも多くのエネルギーを必要とする。
PREP粉末：低エネルギ入熱で高密度化する
溶けやすく高密度化しやすい
PREP粉末GA 粉末

Additive Manufacturing 34 (2020) 101277

GA粉とPREP粉のそれぞれの最適プロセス条件を機械学習法を用いて探索
ガスアトマイズ（GA）粉末

PREP粉末Additive Manufacturing, 27 (2019) 353–362. doi:10.1016/j.addma.2019.03.013
Kenta Aoyagi, Hao Wang, Hideki Sudo, Akihiko Chiba

内部欠陥形成に及ぼす粉末形状の影響
最適プロセス条件で作製された造形物の欠陥形成（電子ビーム積層造形）

GA粉末

PREP粉末

密度＝8.2 g/cm3

密度＝8. 4 g/cm3

造形方向に平行な断面のSEM画像。(a)と（c）はGA粉末。（b）と（d）はPREP粉末の造形物。（c）と（d）は対応する2値化画像。

内部欠陥形成に及ぼす粉末形状の影響
GA sample

PREP sample

ボイドは、凝固中にデンドライト間隙への偏析、不十分な液体供給に起因するデンドライト収縮と考えられる。

Interdendriticvoids＊
収縮孔の形成傾向
50 μm

MCcarbide

50 μm

𝑆ℎ𝑟𝑖𝑛𝑘𝑎𝑔𝑒 =𝜌s − 𝜌l𝜌s

Solid density Liquid density

MC carbide - (Nb, Ti)C
Laves phase- (Ni, Cr)2(Nb, Ti)

Laves phase
20 μm

密度:Nb, Ti, Cr, C < Ni (matrix)

図 GA粉末とPREP粉末のそれぞれに最適な条件下で作成された試料＊T. Magnusson, L. Arnberg, Metallurgical andMaterials Transactions A:. 32 (2001) 2605–2613.

デンドライト間隙領域の大きな偏析は、デンドライト間隙の収縮の可能性を高める

34

内部欠陥形成に及ぼす粉末形状の影響
最適プロセス条件で作製された造形物の凝固欠陥形成（電子ビーム積層造形）
Simulated molten pool depth

GAPREP

PREP

High energy
absorption rate

Deep molten poolFusion on PREP-powder layer exhibited a higher R and resultant higher
cooling rate (G×R) than that on GA-powder layer.

35

内部欠陥形成に及ぼす粉末形状の影響
最適プロセス条件で作製された造形物の凝固欠陥形成（電子ビーム積層造形）

Simulated G & R金属積層造形における析出物形成機構◼ 晶・析出物形成の影響因子
凝固速度(S/L界面速度)
偏析①
液相十分な拡散

溶質元素の偏析程度𝐶

③溶質
トラッピン
グ

②晶・析出物生成𝐶0 Τ𝑘① 𝐶0Solid

LiquidDistance𝐶𝐶0 Τ𝑘

凝固速度(R)

Y-Z
Molten pool
VX-Z

𝜃

②RR0•
•

𝐶0

走査速度が早いほど、Rが高められる；
凝固がメルトプール頂部へ近づいて、Rが増す。

溶質トラッピングの条件：
凝固速度Rは液相の溶質原子の拡散より速い

Solid

LiquidDistance𝐶𝐶0 Τ𝑘

③𝐶0Solid

LiquidDistance37溶質trapping（１）平衡凝固（２）非平衡凝固（高速凝固）

偏析

デンドライトセル

溶質trapping（偏析レス）

凝固速度(R)溶質トラッピング現象の模式的な説明
Segregation

Feeding fluid①②Solutetrappin
gShrinkage

𝐶①𝐶0 Τ𝑘𝐶0Solid𝐶

Liquid②

Dendrite

Solidification rate(R)Low cooling rate
Feeding fluidDistance

𝐶0 Τ𝑘𝐶0Solid

LiquidDistanceHigh cooling rate

大きな凝固速度（R）では、偏析が抑制される（溶質トラッピング）・収縮（ボイド）の抑制・偏析（析出物形成）抑制

まとめ➢ 高エネルギー条件においてのメルトプール生成について、電子ビームプロセスと比べ、レーザープロセスの方は内部欠陥が形成されやすい。
➢ 環境気圧は蒸発圧の大きさを決める。 電子ビームプロセスの真空条件において、メルトプールの安定性に対する蒸発圧の悪影響は最小限に抑えられる。
➢ 熱流束の多重反射のない電子ビームプロセスにおいて、メルトプールの安定性がレーザープロセスより優れる。

➢ レーザー加工の大気圧条件(その以上)で予熱が適用されると、蒸発圧の増加により溶融池の安定性が低下し、内部欠陥が増加すると考えられる。

PBF-EBのメルトプールはPBF-Lに比べて安定性が高く、 PBF-EB造形でのプロセスウインドウが広く得やすい傾向を示唆している。

40

まとめGA粉とPREP粉のまとめ
１．PREP粉末を使用したプロセスでは、プロセスウィンドウが比較的広く、欠陥が抑制される。 エネルギー入力が不十分または過剰であるかどうかに関係なく、PREP粉末はGA粉末よりも優れた適応性を示した。
２．PREP粉末と比較すると、GA粉末にあるガス孔の他に、最適なプロセス条件でも、GAサンプルにはデンドライト状のボイドが多く存形成される。
３．エネルギー吸収率と熱伝導率が低いため、GA粉末は、低エネルギー条件下と高エネルギー条件下で、それぞれ溶融不足と過度の溶融を引き起こす可能性がある。
４．PREPサンプルで形成されるデンドライト間ボイドの抑制は、高い冷却速度と凝固速度によるものである。
５． PREP粉末では、高速凝固において期待される、溶質トラッピングが現れる。

Bound Metal Deposition法42□ Bound Metal Deposition (BMD)法• 熱可塑性樹脂を用いる熱溶解積層 (FDM)法と金属粉末射出成形 (MIM)を応用• 金属粉末/熱可塑性樹脂からなるフィラメントを造形に使用• 低コストかつ金属の溶融凝固を伴わない
N. TUNCER et al., JOM, Vol. 72, No. 9, 2020

□ BMD法のプロセス
造形

溶媒脱脂

熱脱脂・焼結Desktop Metal

結論
本研究では、BMD法を用いて作製した金属造形体の相対密度・内部構造の造形パラメータによる影響ならびに引張特性変化を調査した。

• Std.モード材の相対密度は造形体の形状に関わらず約95%と一般的なMIM材と同等の相対密度を示した。
• Denseモード材では相対密度がさらに向上し、約98%となった。
• Denseモード材ではMIM材と同等の引張特性を示した。
• 低密度となる原因はノズルから吐出された材料のパス間に形成する空隙であることが示唆された。
• 押出圧力を高めることでパス間の接着性が改善され、相対密度が向上した。

15

ご清聴ありがとうございました