技術報告

山口県産業技術センター

研究報告

No.34

p1-4 (2022)

1

金属積層造形における造形品質向上技術の開発
村川収*

Development of Technology to Improve Build Quality in Metal Additive Manufacturing
Osamu Murakawa
本研究では，造形条件設定の指針の確立に向けて，数値シミュレーションを用いて 造形材料の高温物性値の影響を調査した．また，造形時 に生じる熱に着目し，造形物の寸法や高さが造形状態へ及ぼす影響について，二種の 造形材料を用いて実際に造形することにより調査した．その結果，造形材料の高温物性値を考慮することにより，数値シミュレーションで残留応力が低い造形条件と，実際の造形で高い相対密度が得られる造形条件とで一致が見られた．また，二種の造形材料ともに造形寸法が小さいほど相対密度は低くなることが分かった．
１．緒言る違いについて，造形物の残留応力を評価指標として数値生 産 技 術 の 一 つ と し て 確 立 さ れ つ つ あ る Additive

シミュレーションを行った．数値シミュレーションには，Manufacturing(付加製造)技術は，装置の低価格化により，MSC Software 社製 Simufact Additive を用いた．解析方法

主に試作用途として樹脂材料を中心に広く活用されている．

は熱構造連成解析とし，造形プレートからの切断までを解

また，造形物を製品や金型として利用するために，高強度析対象とした．数値シミュレーションモデルを図 1 に示す．

かつ耐熱性を有する金属材料を用いた造形が増加傾向にあ

造形物は幅 15×奥行 15×高さ 15.5mm，造形プレートは幅る1,2)．

160×奥行 160×高さ 20mm で，ボルトによる造形プレート

しかし，金属材料を用いた一般的な造形手法であるの固定を考慮し，四隅を固定拘束条件とした．

Powder Bed Fusion(粉末床溶融結合法)は，造形する際の造形材料はマルエージング鋼とした．数値シミュレーシ

レーザー出力や走査速度といった造形条件が適切でなけれ

ョ ン で 利用 する 高 温物 性 値デ ー タ を 取得 す るた め ，室温ば，造形物にボイドやクラックなどの不良が生じる．通常，(23℃)に加え 300，400，500，600，700，900，1100℃で引造形条件の検討はブロック体など任意の形状で行うが，厳張試験を行った．引張試験により得られた結果から求めた

密には造形する寸法，形状，高さ及び数など造形物の仕様

各温度におけるヤング率を図 2 に，真応力－塑性ひずみをによって適切な造形条件は異なるため，一つの造形条件で

図 3 に示す．ただし，500℃の試験では試験機の許容荷重を種々の造形に対応することは困難である．また，一般的に超えたため，破断には至っていない．設定した温度や塑性造形条件の評価に用いられるエネルギー密度は，単位体積ひずみ等が解析時に超過した場合には，その直近のデータあたりの投入エネルギー量を表しているが，上記造形物のが用いられる．ポアソン比は 0.3 で一定とした．高温物性

仕様によって異なる粉末床等の各種の温度状態は考慮され値の考慮の有無が解析結果へ及ぼす影響を調べるため，図ていない．これらの課題への対策として，近年では数値シ2，3 に示す 1100℃までのすべての引張試験データを用いミュレーションを活用した造形の事前予測が行われてれおた場合と，室温(23℃)のみの引張試験データを用いた場合

り，造形不良の低減や検討に要する造形試作の削減が期待の 2 通りの解析結果を比較した．

されている 3,4) ．

熱物性値は，ソフトウェアのデータベースから MS1(EOS

実 際 の 製 造現 場 で金 属 積層 造 形 技術 を 利用 す る 場合 ，社製マルエージング鋼)の値を参照した．そのうち温度に依種々の寸法，形状，姿勢に対応した造形条件設定のための存する熱伝導率を表 1 に示す．比熱は 450Jkg -1 K -1，固相線指針を確立することが重要である．本研究では，造形条件

温度は 1385℃，融点は 1457℃で一定とした 5-7) ．

設定の指針の確立に向けて，数値シミュレーションを用い走査ピッチ w は 0.105mm，積層厚 h は 0.03mm とし，レーて造形材料の高温物性値の影響を調査した．また，造形時ザー出力 P を 100～200W，走査速度 v を 500～2000mm/secに生じる熱に着目し，造形物の寸法や造形高さが造形状態の範囲で変えて解析を行った．

へ及ぼす影響について，二種の造形材料を用いて実際に造形することにより調査した．
２．実験方法
２・１

数値シミュレーションによる解析方法

金属の造形においては，溶融から凝固まで幅広い温度域が生じる．そこで造形材料の高温物性値の考慮の有無によ*

技術支援部 製品技術 グループ

図1

数値シミュレーションモデル

2

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No.34

(2022)

プレートから高さ 30mm 及び 60mm の位置で切断した．造形材料は SUS316L 及び AlSi10Mg の 2 種類を使用した．

180000

造形条件の評価に用いられるエネルギー密度 E は，式(1)160000に示すようにレーザー出力 P を走査速度 v，走査ピッチ w，積層厚 h で除した単位体積あたりの投入エネルギー量を表

140000

している．造形条件は標準造形条件を基に，走査速度 v をヤング率，MPa120000変えて造形した．表 2 に造形条件の一覧を示す．

100000

(1)

E=

80000

造形状態の評価には，アルキメデス法により測定した造60000

形物の密度を用いた．また，造形高さの変化に伴う粉末床の温度変化を見るため，放射温度計 CALEX 社製 PM-HA-201-

40000

CT-CRT を造形機に据え付け，造形中の粉末床中央(1 点)の20000

温度を測定した．

00200

400

600

800

1000

1200

温度，℃

図2

温度とヤング率の関係

1600

切断
1400

1200

30mm

真応力，MPa

＜温度＞
1000

23℃
300℃
400℃
500℃
600℃
700℃
900℃
1100℃

800

600

400

図4
表2

造形寸法の異なるサンプル

造形寸法及び造形高さの影響調査に用いた造形条件

造形材料

200

造形条件

P
[W]

S-1
SUS316L

000.050.10.150.2S-2200

図3

各温度における塑性ひずみと真応力の関係

A-2A-3

表1h[mm]8000.1050.03

1500

79631300376

E[J/mm 3 ]
106

1000

A-1AlSi10Mg

w
[mm]

600

S-3

塑性ひずみv[mm/sec]

920.105

17000.038070

各温度における熱伝導率

温度

熱伝導率

[℃]

[Wm -1 K -1 ]2425.3

３・１14928.0

造形中の溶融凝固の際に生じる残留応力は，造形物の反31630.4

りや欠陥などの造形不良の要因の一つである．そこで数値

427

30.8

シミュレーションによる解析結果のうち，残留応力を評価

３．実験結果数値シミュレーション結果指標とし，高温物性値の考慮の有無による違いを検証した．
２・２

実造形による寸法及び造形高さの影響調査

残留応力の解析結果を表 3 に示す．マルエージング鋼の実積層方向に対して垂直方向の寸法及び造形高さが造形状際の造形で高い相対密度が得られる標準造形条件は，造形態に及ぼす影響について，造形条件を変えて調査した．造条件 1 に示すレーザー出力 P 200W，走査速度 v 800mm/sec，

形には金属積層造形機 Concept Laser 社製 M2cusing を用

エネルギー密度 E 79J/mm 3 である．

いた．図 4 に造形サンプルを示す．サンプル形状は直方体

まず 1100℃までの高温物性値を用いた解析結果では，エとし，正方形断面の 1 辺が 5，15，30mm の 3 種類で高さはネルギー密度 E が不足している条件 2，並びに過多な条件全て 90mm とした．造形後，ワイヤー放電加工機により造形3 に比べ，標準造形条件 1 では造形物に生じる残留応力が金属積層造形における造形品質向上技術の開発3低かった．それに対し，室温物性値のみを定義した解析結

３・２

実造形による相対密度に及ぼす造形寸法の影響

果は，実造形の標準造形条件よりも走査速度 v の遅い，つ

図 4 に示すサンプル造形中の粉末床上面中央の温度を図

まりエネルギー密度 E の高い条件 3 の残留応力が最も低か5 に示す．造形開始後に粉末床温度が上昇し，AlSi10Mg はった．また，条件 2 よりもさらにエネルギー密度 E の低い

300min で 57℃となり，造形終了まで大きな温度変化はな

条件 4，5 では，高温物性値の考慮の有無に関わらず，残留かった．一方，SUS316L は同じく 300min で 53℃まで上昇

応力はほとんど発生していないが，造形物の温度が融点をし，その後は緩やかに上昇し続け，造形終了時には 65℃で超えておらず造形はできないと推測される．しかし，実際あった．このように造形開始時に比べ粉末床温度は上昇しの造形では相対密度は低いものの，条件 4，5 でも造形は可ており，溶融に必要となるエネルギー量はそれに伴い減少能であることから，数値シミュレーションでは，実造形をする．本サンプルは直方体形状だが，実際の造形形状は複完全に再現できないことには注意が必要である．

雑で高さによって造形面積が異なるため，粉末床温度も高以上より造形材料の高温物性値を考慮した解析と，それさに応じて変化すると推察される．適切な造形条件を設定を室温物性値のみで一定とした解析とでは残留応力に大きするためには，粉末床温度の考慮が重要であると考える．

な差異が生じていることが分かる．また，実造形で高い相走査速度 v と造形物の相対密度の関係を図 6 に示す．い対密度が得られる造形条件と，材料の高温物性を考慮したずれの造形材料も造形寸法が大きいほど相対密度が高く，解析結果で残留応力の低い造形条件が一致していることか

SUS316L に比べて AlSi10Mg は造形寸法の違いによる差異がら，残留応力の解析結果に着目することで，適切な造形条大きかった．レーザーは走査ピッチ毎に，既溶融部をオー件の検討が可能であることが示唆された．これらのことか

バーラップしながら照射するが，造形物側面は溶融部と粉ら，溶融から凝固まで幅広い温度域が対象となる金属積層末床の境界部となるため，空孔が生じやすく表面粗さも粗

造形の数値シミュレーションでは，高温物性値を考慮するくなりやすい傾向にある．よって体積に対する表面積の割ことで実現象をより正確に再現できる可能性があると考え合の小さいサンプルの相対密度が高くなったと推察される．

られる．

造形寸法の小さい 5mm のサンプルにおいて，走査速度 v の速い条件で相対密度が高くなる傾向があったのは，走査速表3解析結果(残留応力)
70

造60

解析結果
Pv

E

条

[W]

[mm/sec][J/mm 3 ][MPa]

SUS316L
AlSi10Mg

50

件
室温物性値

高温物性値

のみあり

粉末床温度，℃

形

4030201200

800

791000500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

造形時間，min.

2150

1000

48

図5SUS316L

100.0

3200

500

造形中の粉末床上面中央の温度
AlSi10Mg

99.5127

4100

800

40

相対密度，%<サイズ，造形高さ >5mm， 0-30mm5mm，30-60mm5mm，60-90mm15mm， 0-30mm15mm，30-60mm15mm，60-90mm30mm， 0-30mm
30mm，30-60mm
30mm，60-90mm

99.0

98.5

98.0

97.55200

2000

3297.0
500

700

900

1100

1300

1500

1700

走査速度，mm/sec

図6走査速度と相対密度の関係

4

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度 v が速いほどメルトプールの幅は狭くなり，造形物側面

研究報告
(3)

No.34

(2022)SUS316L および AlSi10Mg のいずれの造形材料も造形の溶融境界部の範囲が狭かったためと考えられる．アルキ

寸法が小さいほど相対密度は 低くなることが分かっ

メデス法による評価は内部欠陥が加味されないため，表面た．また，造形寸法の小さい 5mm のサンプルでは，造状態の差異が顕著に表れると考えられる．

形高さの低いサンプルの相対密度が高かった．

また，造形寸法 5mm のサンプルでは，いずれの造形材料参考文献も造形高さの低いサンプルの相対密度が高かった．これは図 5 から分かるように，造形初期は粉末床温度が低いこと

1) 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機や，造形プレートからの距離が近いほど抜熱が促されるこ構技術戦略研究センター:金属積層造形プロセス分野のとにより，加熱による粉末の余分な溶融が少なかったため技術戦略策定に向けて，TSC Foresight，32(2019)．と考えられる．このことより，造形時の抜熱が重要と考え

2) 京極秀樹ほか:型づくりと金属 AM(付加製造)の最新動られる．

向，型技術，35(8)，p.18-75(2020)．
４．結言3) 池庄司敏孝:レーザ積層造形における溶融・凝固現象，スマートプロセス学会，6(3)，p.109-114(2017)．

本研究では，造形条件設定の指針の確立に向けて，数値

4) 池庄司敏孝:レーザ式粉体床溶融法の溶融凝固数値解析

シミュレーションを用いて造形材料の高温物性値の影響をにおける粉体床へのレーザ入熱の ANSYS MAPDL による調査した．また，造形時に生じる熱に着目し，造形物の寸実装，近畿大学次世代基盤技術研究所報告，10，p.103-

法や高さが造形状態へ及ぼす影響について，二種の造形材料を用いて実際に造形することにより調査した．その結果

110(2019)．
5) 森山三千彦，高木節雄，徳永洋一:18%Ni マルエージン得られた知見を以下に示す．

グ 鋼 の 時 効 硬 化 挙 動 と 疲 労 特 性 ， 材 料 ， 43(492) ，(1)

p.1106-1112(1994)．

(2)

数値シミュレーションにおいて，材料の高温物性を考慮した場合の残留応力が低くなる造形条件と，実6) 杉山健二，高林宏之，植田茂紀:超強靭鋼の機械的特性造形で高い相対密度が得られる造形条件は，一致しおよび組織におよぼす Al，V の影響，大同特殊鋼技報ていた．

電気製鋼，87(2)，p.75-83(2016)．

数値シミュレーション による残留応力の解析結果に

7) 梅森直樹，堀尾浩次，増田哲也:ダイカスト金型用肉盛

着目することで， 実際の造形物の相対密度の傾向がり溶接棒“DHW”，大同特殊鋼技報 電気製鋼，85(1)，

推測でき，適切な造形条件の検討が可能であること

p.63-70(2014)．

が示唆された．