粉末焼結法による積層造形品へのレーザ表面改質技術の探索（地独）東京都立産業技術研究センター
副主任研究員

事業化支援本部技術開発支援部

山内 友貴(平成 26 年度奨励研究助成 AF-2014224)

キーワード：付加製造，レーザ焼結，レーザ研磨
１．研究の目的と背景返し行うラスタ走査により面の加工をするが，その単線の幅や近年，積層造形装置は 3D プリンタと呼ばれ，様々な業界・業深さが重要な要素である．本項では，樹脂 AM 試料への加工特性種で急速な普及・利用が始まっている．ASTM International におを把握するため，レーザを走査し加工部の観察を行った．加工

いては，この加工法を AM（Additive Manufacturing）として規格する単線は，より広い幅で，ごく表層のみが溶融する条件が理化した．AM 技術のなかでもレーザ焼結は，射出成形品に近い強想である．この条件を探索するため，本研究ではレーザの焦点度，靱性，耐久性を持った部品を製作することができる．さらをデフォーカスすることを試みた．加工には，ポリアミドへのにワークスペース内にデータを 3 次元的，多段的に配置できる吸収率が高い CO2 レーザ(トロテック社製 Speedy 400 flexx)を用ため，少量であれば金型よりも安く，早く生産することができいた．加工条件を表１に示す．焦点距離の異なる 2 種類のレンる．しかし AM 技術の現状の活用方法は，機能・意匠モデル等，ズを使用し，それぞれレーザ出力，デフォーカス距離を変化さ試作までである．これは，部品表面の粗さが問題となるためでせて実験を行った．デフォーカス時のビーム直径は，まず(1)式ある．この粗さは，積層段差や粉末材料の使用によって発生し，で焦点におけるビーム直径 φ(0)を求め，Z mm デフォーカスさせ外観劣化や，摺動性悪化，強度低下といった点で製品として適た場合のビーム直径 φ(z)を(2)式 4)より算出した．このとき λ はレしていない．この粗さを処理するには後加工が必要であり，課ーザ波長で 10.6μm，f は焦点距離，M2 = 1.2，D を集光前の直径題となっている．現在ではサンドペーパーを用いた手作業で研とした．焦点におけるビーム直径は，条件①で約 250μm，②で磨処理しており，生産効率が極めて悪い 1)．また処理の具合が毎約 660μm である．デフォーカス距離を調整し，加工部の焦点直回異なるため，厳密に言えば同一のものを生産できないといっ

径をおよそ 1000μm，2000μm，4000μm とした．

た欠点もある．表面処理技術は従来，研削や研磨，切削加工が用いられ，一部自動化されている．しかし AM 技術に対して従( )来方法では，工具形状の関係などから，エッジや自由形状を処理できない場合が多い．すなわち，第三の加工法とも呼ばれる( )==4(1)
8

画期的な AM 技術ではあるが，表面処理技術の未確立が，製品表１ 実験条件製造にあたっての大きな障害となっている．
一方，AM 技術の表面処理法として，レーザによる表面改質が

(2)

( )

条件

①-1

②-1

要がなく，表面のみを処理できるため，形状自由度の高い部品

レンズ焦点距離 [mm]38.1101.6の作製を得意とするAM技術に対して有効であると考えられる．

走査速度 [mm/s]

8.87

8.87

デフォーカス距離 (Z)[mm]0.0, 1.9,4.8, 9.5

0.0, 14.2,35.6, 71.2

報告されており興味深い 2) 3)．レーザは工具形状等を考慮する必しかしながら非接触加工であるゆえに，部材ごとに改質条件の探索が必要であるが，過去の報告は金属を対象としており，樹脂に対する検討はほとんど行われていない．本研究では，AM 技術のメリットをさらに生かし，製品製造を促進させることを目的として，レーザによる樹脂 AM 品に対する表面平滑化を提案

レーザ出力 [W]10, 30, 50, 70, 90

1インチあたりのパルス数1000

した．まず材料の加工特性を把握するための実験を行い，探索した条件で平滑化を実施したので報告する．

試料は，平均粒径 50μm の PA11 粉末(アスペクト社製
Aspex-FPA)を，造形機(アスペクト社製 RaFaEl-300F)でレーザ焼２．加工特性の把握
2.1 単線加工による実験方法
実際にレーザを照射して平滑化する場合は，単線加工を繰り結した．試料は 70mm×30mm×2mm として，積層方向に厚さ(2mm)方向を配置した．
加工する面は70mm×30mm の面とした．
加工後の評価は，肉眼での目視と SEM(日立ハイテクノロジー

ズ社製 TM3030Plus)によって溶融状態を確認した．また，マイク件も幅が広く，深さが浅い加工部が得られ，かつ溶融が確認でロスコープ(HIROX 社製 KH-8700)を用い，加工部の幅や深さにきた条件である．

ついて計測した．
2.2 実験結果および考察
条件①-1，レーザ出力 P = 50W において，デフォーカス距離 Zによる加工部の変化について観察した SEM 写真を図１に示す．
画像中央に見える横線が加工部であり，溶融することで粉末同士が溶着していることがわかる．デフォーカスすると溶融した幅が大きくなっていくが，Z = 9.5mm では溶融の幅が増加しなか
図１ 条件①-1 レーザ出力 P = 50W による加工部った．ビーム径が広がることでレーザのエネルギ密度が低下するため，溶融の閾値を越える部分が増加しなかったと考えられる．一方，加工部を肉眼で確認すると Z = 9.5mm が最も幅が大きい．これは，まずレーザ照射で微小な形状変化が生じ，光の反射率や方向が変化する．それらが規則的な直線上に集合していることにより，肉眼で目視できたと考えられる．
条件①-1，Z = 9.5mm において，レーザ出力 P と加工部の変化について観察した SEM 写真を図２に示す．P = 10W の条件はSEM，肉眼ともに加工部が確認できなかった．P = 30W は図３

図２ 条件①-1 デフォーカス距離 Z = 9.5mm による加工部に示すとおり，肉眼では加工部が確認できるが，SEM ではレーザ照射部と未照射部の境界の判別が困難であった．前述のとおり溶融する閾値は超えていないが，微小な形状変化は起きていると考えられる．P = 90W では加工部に数 μm～数十 μm 程度のホールが確認された．これは粉末の溶融時，流動して粉末同士の隙間を埋めるが，流動しきらないことで生じたと考えられる．
条件①-1 と②-1 を比較する．理論上同じレーザスポット直径である P = 90W，Z = 4.8mm(条件①-1)，35.6mm(条件②-1)について比較する．図４のように SEM 写真で比較すると加工幅に大きな

図３ 条件①-1 デフォーカス距離 Z = 4.8mm による加工部差異はみられないが，条件①-1 の方がより溶融しているように見える．
加工が確認できた条件について，加工部の幅と深さを測定した．横軸をレーザ出力として，図５の a)に深さ，b)に幅の結果を示す．全体の傾向としては，レーザ出力が高いほど幅よりも深さが増加し，デフォーカスするほど幅が広くなり，深さが浅くなる結果となった．P = 10W ではどの条件においても加工部と未加工部の境界について判別できず，幅，深さともに測定するこ

図４ レーザ出力 P = 90W，スポット径 φ≒2000μm（理論値）300.0とができなかった．条件②-1 は，デフォーカスすると図３の P =30W の条件に見られるような加工となり，肉眼で加工部の幅が250.0

加工部のビーム直径と加工形状について考察する．焦点での加工の場合，理論値に近い加工幅となっており，出力を増加しても加工幅があまり増えず，深さが増す傾向である．対してデフォーカスさせて加工した結果は，レーザ出力に応じて加工幅が加工部の深さ μm広がっていることは観察できるが，マイクロスコープで境界を特定することは困難である結果が多かった．

200.0
150.0
100.0増す傾向となった．デフォーカスすることによってビーム径が50.0

最大 4000μm まで広がるため，レーザ出力が高くなることで溶融0.0する部分が広がったと考えられる．
以上の結果から，平滑化に有用と考えられる条件は，条件①-1で Z = 4.8mm と，条件②-1 で Z = 35.6mm であった．どちらの条①-1, Z = 0.0mm①-1, Z = 1.9mm①-1, Z = 4.8mm①-1, Z = 9.5mm②-1, Z = 0.0mm②-1, Z = 14.2mm②-1, Z = 35.6mm

0.025.0

50.075.0
レーザ出力 Wa) 加工深さとレーザ出力

100.0

1000.0①-1, Z = 0.0mm①-1, Z = 1.9mm①-1, Z = 4.8mm①-1, Z = 9.5mm②-1, Z = 0.0mm②-1, Z = 14.2mm②-1, Z = 35.6mm

加工部の幅 μm

800.0600.0400.0200.0

図６ 平滑化の対象となる試料の配置方向
表３ 各試料の配置角度0.00.025.050.075.0100.0

レーザ出力 Wb) 加工幅とレーザ出力
図５ 加工部の測定結果

３．ラスタ加工による面の平滑化

試料

α [°]

β [°]

γ [°]

a000b0900c0450d151503.1 平滑化の方法

積層段差面の平滑化は，ラスタ走査によって行った．加工面積を 5mm×5mm とし，表２に示す条件で加工した．試料は，前章と同条件で造形した．70mm×30mm×2mm の板形状について，造形時1層の厚さにモデルデータの角度を変えて配置した．この際，試料の加工部分は，70mm×30mm の面として統一した．平面方向を xy，積層方向を z，回転角度をそれぞれα，β，γとして，モデルを図

積層方向
CADによる設計値
試料の端部６，表３に示す配置で造形した． xy 平面に試料が水平になるよ
加工面をxy平面と垂直に配置した試料をb，う配置した試料をa，

図７ 積層段差と角度y 軸を基準に 45°に回転させた試料を c，x 軸と y 軸両方に 15°回転させた試料を d とした．これは実際の AM 造形品が複雑な

3.2 実験結果および考察

AM 造形品の面が意図せずに様々な方向に配置形状をしており，表４に試料の配置方向と積層段差間の距離とを併せて示す．

されるためである．配置方向 c，d の条件は設計上の端部の角度

造形後の表面粗さは，Ra 30μm 前後となっていた．傾斜させた条が，水平方向に対して浅くなるため，加工面に図７に示すよう件は，積層段差によって Ra が粗い状態となっていることがわかな積層段差が大きくなる．表面粗さの測定には，レーザ顕微鏡(オる．加工後の表面写真を図８に示す．画像中央部の点線で囲ま

リンパス社製 LEXT-OLS4000)を用いた．造形後の試料は JIS Bれた領域が加工エリアである．エネルギ供給量を増やす，すな0601 に準拠して算術平均粗さ Ra を測定した．なおレーザ加工部

わちレーザ出力を大きくする，もしくは走査線間隔 S を小さくの表面粗さについては，加工部中央とその両端部分について，すると，加工部の光沢が増えていく傾向となった．これは粉末走査方向に対して垂直方向に 3 回ずつ計 9 回測定し，平均値をや積層段差等の凹凸が平滑化されたことで，自然光などの反射算出した．

が強くなったためであると考えられる．さらにエネルギを増大していくと，溶融した樹脂が加工部境界を越えて流れ出てしまう結果となった．とくに S = 50μm では，樹脂の流出が顕著とな

表２ ラスタ加工条件

った．溶融した樹脂が流れ出た条件では，加工部が半球面のよ条件①-2②-2レンズ焦点距離 [mm]

38.1

101.6

走査速度 [mm/s]

8.878.87に，レーザが何度も繰り返し照射されることで，少しずつ加工デフォーカス距離 (Z) [mm]4.835.6部の外へ樹脂が流出していったと考えられる．

走査線の間隔 [μm]50, 101, 203

レーザ出力 [W]30, 50, 70, 90

1インチあたりのパルス数1000

うな凹形状となっており，加工前の形状を保つことができなかった．この理由として，溶融量が増え流動性が高くなった状態

加工条件と表面粗さの結果について図９に示す．なお S =50μm，P = 90W の条件は，加工部の傾斜により粗さを測定することができなかったため記載していない．加工部境界から溶融した樹脂がはみ出さず，かつ最も粗さが低減した結果は，条件①-2 を用い，レーザ出力 P = 50W，走査線間隔 S = 101μm で Ra

0.4μm 程度となった．全体の傾向として，レーザ出力が増えるにしたがって粗さが低減し，さらにレーザ出力が高くなると逆に①-2 S=203μm①-2 S=101μm①-2 S=50μm②-2 S=203μm②-2 S=101μm②-2 S=50μm

25.0

粗くなった．走査線間隔 S においても同様の傾向で，S = 101μmまでは粗さが改善するが，さらに密な S = 50μm では粗さが悪化前後と同程度となったが，最も粗さが低減した際のレーザ出力5.0Ra μmした．今回実験した配置角度では，到達する粗さは Ra 約 0.4μm1.0に違いが生じた．a，b の試料では P = 50W で最も粗さが低減したが，配置方向 c の試料では，P = 70W，配置方向 d の試料ではP = 90W の条件が最も粗さが低くなった．
初期の粗さが粗い試料

0.2の平滑化には，より高いエネルギが必要であると考えられる．

30

配置方向 c, d の試料には積層段差が大きく生じており，この段差

5070
レーザ出力 Wa) 試料 a における粗さの測定結果を埋めるためにより多い溶融量が必要になったと考えられる．
加工前後の寸法変化を確認するため，
試料 a における加工部の深さを測定した．図１０に結果を示す．粗さが最も低減した加工①-2 S=203μm①-2 S=101μm①-2 S=50μm②-2 S=203μm②-2 S=101μm②-2 S=50μm

25.0部の深さは 1000μm であった．加工前の Ra が 30μm 程度である
ことを考えれば，大きい値である．これは平滑化によって部分化する試料に 1000μm 程度の余裕を持たすことで，設計値に近くなる．

5.0Ra μm的に密度が向上したためだと考えられる．言い換えれば，平滑901.0
表４ 加工前の試料の表面粗さ積層段差の距離 μm

表面粗さ (Ra) μm

a-23.57

b-29.62c10032.44d26032.870.2305070
レーザ出力 W90b) 試料 b における粗さの測定結果
25.0①-2 S=203μm①-2 S=101μm①-2 S=50μm②-2 S=203μm②-2 S=101μm②-2 S=50μm

5.0Ra μm

試料1.00.2305070
レーザ出力 W90c) 試料 c における粗さの測定結果
25.0①-2 S=203μm①-2 S=101μm①-2 S=50μm②-2 S=203μm②-2 S=101μm②-2 S=50μma) 条件①-2Ra μm

5.01.00.2305070
レーザ出力 Wb) 条件②-2d) 試料 d における粗さの測定結果

図８ 加工部の写真

図９ 試料と表面粗さの結果

90

25.0S=203μm
S=101μm

5.0Ra μm

S=50μm1.0
図１１ 試験片の寸法
表５ 平滑化の条件

0.20500

1000
1500
加工部の深さ μm2000

図１０ 加工後の寸法変化

4. 平滑化による強度向上

条件①-3②-3レンズ焦点距離[mm]

38.1

101.6

走査速度 [mm/s]

8.87

8.87

デフォーカス距離 [mm]4.835.6

走査線間隔 [μm]101203

レーザ出力 [W]5050

4.1 試験片の作製と強度試験方法
試料表面を平滑化することで，破壊につながるクラックが発生しにくくなると予想される．すなわち，平滑化と同時に造形1インチあたりのパルス数物の機械的性質向上が図れていると推測し，引張試験による確35.0方性が出ることがわかっている 5)．そこで本章では，図６におけ30.0る試料 a，b と同じ方向で短冊形状を造形し，側面を切削するこ25.0とで図１１に示す JIS K7139 短縮試験片を製作した．作製した試験片は，表５に示す条件を用い，表面と裏面を平滑化した．引張試験機(TENSILON RTF-1210)を用い，JIS K7161 に準拠した実験を行った．クロスヘッドの引張速度は 2mm/s とした．

引張強度 MPa

認を行った．樹脂の AM 造形品は，配置方向で強度や伸びの異1000
平滑化なし
条件①-3
条件②-320.015.010.05.00.0
試料 a4.2 実験結果および考察
引張試験の結果を図１２に示す．
平滑化した配置方向が a の試a) 引張強度

験片の引張強度は，予想と反して加工前よりも 1 割程度低下す12.0る傾向となった．対して配置方向が b の試験片は，平滑化する化した可能性が考えられるが，配置方向が b の試験片は，積層段差に生ずる応力集中が支配的であり，平滑化により緩和されることで強度が向上したと考えられる．
一方で破断ひずみは，配置方向が a，b の試験片ともに平滑化

4.02.0
試料 aのではないかと推測される．
配置方向が a と b の試験片の強度比b) 破断ひずみ弾性率 MPa

で 65%，条件 E で 68%となった．この結果から積層方向による弾性率は，引張強度と同様の傾向を示した．配置方向が a の試

試料 b2000で比較すると，未加工の条件が 54%であるのに対して，条件 D向が a の試験片の強度が低下した影響である．

条件②-36.0

りにくいことによって，クラックが入りにくく伸びやすかった

これは配置方向が b の試験片の強度が向上したことと，配置方

条件①-38.00.0した試験片のほうが高い値を示した．表面での応力集中が起こ

機械的性質の異方性は，試料表面を平滑化することで改善した．

平滑化なし

10.0
破断ひずみ %

ことで 1 割程度強度が向上した．レーザ加工によって材料が劣試料 b1500
1000
平滑化なし
500

条件①-3験片は，条件②-3 で顕著に低下していることが確認できる．配平滑化後に破断ひずみが伸びているにも置方向が a の試料では，かかわらず，強度同様に弾性率が低下している事から，加工部の樹脂が変質もしくは劣化した可能性が高い．本現象の解明は今後の研究課題とする．

条件②-30試料 ac) 弾性率
図１２ 引張試験の結果

試料 b

5. 結言本研究では，樹脂粉末をレーザ焼結した試料に対して，表面処理技術のひとつとしてレーザによる平滑化を提案し，実験に謝 辞
本研究は，公益財団法人天田財団 平成 26 年度奨励研究助成を受けて実施しました．ここに感謝の意を示します．

よって有効性を実証した．本研究の成果を以下に示す．
1)デフォーカスし，レーザ出力を調整することによって，1 回の参考文献

単線走査による加工部の幅と深さを調整することができた．す1)中川威雄：積層造形法の応用分野，レーザー研究，24，4，(1996)，

なわち，1 回で平滑化できる領域が広くなるだけでなく，試料443の寸法変化を小さくすることができた．

2) J.A. Ramos-Grez，D.L. Bourell：Reducing surface roughness of2)焦点距離 38.1mm のレンズで 4.8mm デフォーカスを行い，レ

metallic freeform-fabricated parts using non-tactile finishing methods，ーザ出力 50~70W，走査間隔 101μm で加工することで Ra 0.4μm

International Journal of Materials and Product Technology，21，(2004)，まで低減できた．

297

3)造形時の配置方向によって，試料の初期粗さ Ra で 5～10μm 程：Laser polishing of parts built up3) A. Lamikiz，J.A. Sa´ nchez et al．

度は異なっていたが，条件を調整することでどの試料も Ra

by selective laser sintering，International Journal of Machine Tools &0.5μm 以下の表面を得られた．

Manufacture，47，(2007)，2040

4)平滑化後の試料の寸法は，1000μm 程度小さくなる．設計時も4)杉岡幸次，中田芳樹他：最新レーザプロセシングの基礎と産業

しくは造形時にあらかじめ寸法を大きくしておくことで補正

応用，電気学会，(2007)，66できる．

5) C. Majewski，N. Hopkinson：Effect of section thickness and build

5)表面を平滑化することによって，積層方向に長手を配置した試

orientation on tensile properties and material characteristics of laser

験片の引張強度，破断ひずみ，弾性率が向上した．

sintered nylon12 parts，Rapid Prototyping Journal，17，(2011)，176

6)水平方向に長手方向を配置した試験片については，平滑化することによって破断ひずみは増加したが，引張強度と弾性率は低下した．
7)平滑化を行うことで，樹脂 AM 品で課題となっている積層方向による強度の異方性を緩和することができた．