第4章 マクロレーザープロセシング

10. ダイレクトメタルデポジション

著者:石出 孝、坪田 秀峰

1. はじめに

 ダイレクトメタルデポジション技術は粉末状にした金属材料をレーザーにより溶融させ、母材上に溶着することで、母材に機能を付加する、所望の形状を得る、補修する、等の効果を得るものである。この技術は、Rapid Prototyping(高速実体成形)技術として開発が開始された。Rapid Prototypingは、技術開発初期段階では3次元形状を短時間で製作できることから、製品の最終形状を把握するための技術であった。これは設計技術の3次元CAD化が進歩に対応してPC上の2次元ディスプレイに表示された3次元データを実体として取り出すことでより製品イメージをつかみやすくしたいという設計者の二ーズに応える技術であった。このように形状確認が主目的であった技術開発初期段階では、樹脂が対象材料とされた。しかし、部品形状の確認に加えて機能チェックも実施したいという更なるニーズから、今日ではその延長技術として金属を対象材料とした技術開発がなされている。これにより、製品試作だけでなく実製品用部品・製品そのものの製造技術として、また使用中の製品に対しては補修技術としてその利用領域を広げつつある。本節では、金属材料を対象とした直接造形技術に関し、その開発の歴史、現状、今後の展望について述べる。

2. 技術開発の歴史と現状技術

 金属材料の直接3次元造形技術は欧州、米国にて積極的に開発されている。技術は、①Selective Laser Sintering(以下SLS)、②Laser Generating(以下LG)、に大別される。これら技術は開発者やメーカによりLaser Build-up welding、Laser forming(レーザーによる曲げ等の成形加工とは区別が必要)、Laser Metal Deposition、Direct Metal Deposition等、種々の名称で呼ばれているが、ここでは①SLS:ワークテーブル上に敷き詰めたメタルパウダにレーザービームを照射しながら走査し、照射部のみ溶融・凝固させた層をワークテーブルの昇降により積層していくことで3次元の対象形状を形成する技術、②LG:レーザー光を出射する加工ヘッドからパウダもしくはワイヤを供給し3次元の対象形状を形成する技術、と定義し解説を進める。

2.1 Selective Laser Sintering(SLS)

 SLSは、ワークステージに敷いたパウダーにレーザーを走査し、ステージを積層厚分移動させ、順次各層を積層していく技術(図1)であり、基本的な施工フローは以下の通りである。①:3DCADデータを層状の2Dデータに分割、②:ステージ上に粉末材料を設置、③:①の層データを基にレーザービームを走査(ガルバノミラーをスキャニング)、④:層厚分ステージを降下、⑤:②〜④を繰り返し。このプロセスは、紫外線硬化樹脂にレーザービームを走査照射し、三次元形状を試作する樹脂によるラピッドプロトタイピング技術や、ステージ上に設置した粉末樹脂にレーザービームを走査照射し順次積層させていくことで3次元形状を得る樹脂粉末成形技術の延長技術として対象材料が粉末樹脂から粉末金属へと進化したものである。
 この技術の開発の歴史は文献2)に紹介されている。概要を以下に示す。樹脂を対象とした実用化初期は、3Dシステムズを創設したC.Hullが1980年代初頭に、商品機を投入した頃を指す。同時期にテキサス大C.Deckardも装置開発し、DTM社(米)にて商品化した。また1980年代後半にはF.Arcellaが同様のPat.をウェスチングハウス社より出願している。その後、F.Arcellaによる開発技術は1990年代後半にはAeromet社としてチタン林航空機産業に特化した開発を行うと同時にパウダー送給ヘッドによる施工プロセス(後述のLGプロセス)に移行していった。
 金属材料を対象とした最初の本格的な商品機は1992年DTM社より発表されたSinterstation2000であった。続いて1994年にはEOS社(独)よりEOSINT(P)350が発表された。これら初期の商品機は50WクラスのCO2レーザーを熱源として使用するもので、成形可能な対象物容積は30〜70リットル程度であった。これら各社の装置は材料供給方法、積層方法等の工夫により差別化が図られた。特に各社が注力した差別化技術が材料技術である。DTM社は、ポリマーコーティングした金属粉末を使用し、レーザー走査による成形後、樹脂を除去し、金属粉末の結合、空孔除去のための炉中熱処理を行う2段階プロセス方式であった2)。一方EOS社は、レーザー熱源により材料そのものを成形していくDirect Metal Laser Sintering(DMLS)方式を採用した。この技術は、1990年代前半に各研究機関で積極的に開発が進められた。最初の商品機は1994〜1995年にEOSにより開発、商品化されたEOSINT M250であった。このシステムはブロンズーニッケルのパウダーを熱源のCO:レーザー(100W)を用いて施工するもので、最小積層厚100μmの能力を有しており、それまでは不可能であった精度、表面粗度が実現されたことで実用技術としての位置づけを得た。その後、1995年ドイツにてEOS、Fraunhofer ILT、IPT、他による共同プロジェクトが実施され、成形物の充填率を向上させるための施工技術の検討が行われた。その後の実用技術としての進歩は目覚しく、1997年には最小積層厚が50μmまで微細化され、積層構造に起因する成形物表面の段差を抑制することが可能となった。材料面での進歩は、1999年に鉄系の粉末を用いたDirectsteel50(最小積層厚50μm)、さらに2001年にはDirectsteel20(最小積層厚20μm)等の材料が開発され(表1)、成形物の精度向上、内部充填率の向上への取り組みがなされ、同社DirectSteel H20では、材料によっては100%近い充填率、1100MPaの強度が得られるようになった。またレーザー発振器の進歩に併せて熱源も変化しており、2004年には従来のCO2レーザーと同様のビーム品質が固体レーザーにより得られるファイバーレーザーを熱源としたEOSINT M270が商品機として発表されており、日本でも既に稼動している3、4)
 TRUMPF(独)は、Fraunhofer ILTと協業して開発を進め、2003年にTrumafonn LF250というDiskレーザー、約500°Cの雰囲気形成が可能なチャンバを搭載したモデルを投入した5)。TRUMPF社では自社装置による成形プロセスを“Laser forming”と称している。このプロセスは、通常のシンタリングプロセスと異なり、バインダーやフラックスが不要な母材と同成分の金属粉末を用いたEOSと同様なコンセプトのプロセスである(図2)。また成形可能な部材寸法は0100mm程度で、直径10〜30μm程度の粉末を用いる。ステージ上に敷き詰めた金属粉末上をレーザービームで走査することで溶融、凝固させた後、ステージを下降させ順次積層していく点は他メーカと同様である。同社製装置の特徴は、熱源にはビーム品質4mm・mrad、スポット径0.2〜0.4mmの250Wディスクレーザーを用いている点であり、ビームはガルバノミラーにより走査される。層厚コントロールは、20〜200μmの範囲であり、推奨層厚は50μm程度である。また各層の形状成形後の余剰粉末は自動回収・再利用が可能なシステムとなっている。施工状況及びサンプルを図3に示す。
 実際に各種形状を成形するには装置のハードに加えて3DCADデータから各層情報へ展開するソフトも重要である。同社ではハードの商品化にあわせソフト開発も行い、システム製品として供給している。このシステムのターゲットは複雑3次元形状部品の成形である。例えば、内部冷却構造をもつ射出成形用型(図4)を28時間程度で、また小型の歯ブラシ用型(図5)を7時間程度で製作可能である。同社の試算では、従来比30%の時間短縮につながるとのことである。
 DMLS技術はこれまでプラスチックの射出成形金型のRapid Toolingに主として適用されてきた。射出成形金型の場合、高い精度と射出圧に十分耐える機械的・熱的性能、加えて表面研磨精度が要求される。このため成形部材の充填率は重要な評価パラメータの一つである。EOS社の材料Drect Steel H20を用いてEOSINT M250により作成した試験体の断面例が文献1に示されているが、DMLS技術によれば、対象の要求に応じてパラメータコントロールにより充填率・密度のコントロールも可能であり、この例の場合94〜99.5%の密度が得られている。このような密度制御により、例えば金型表面については研磨精度向上のため高密度化し、内部については強度的に問題なければ、多少の空孔を含んだ施工を許容することで施工能率の最適化が可能である1)。文献1の例では、5%程度の密度低下を許容した内部では最外層に対して8倍の速度で成形が可能である。
 一方、機械部品、構造部品としての実部品を成形する場合には要求がかなり異なったものとなる。つまり実部品として使用する際は、引張強度や使用可能温度が重要であるのはもちろんのこと均一な成形が求められる。これらの場合、通常の構造材料を使用するが、ステンレス、インコネル、チタン合金、純チタン、金、銀、アルミニウム合金、銅合金等の種々の材料が使用可能な装置が商品化されている1)
 最小積層厚も空孔発生、密度、均一性に影響を及ぼす。同一材料より成形する場合の積層厚の影響を調査した例も報告されており、例えば最小層厚100μmの場合、空孔率20〜25%、引張強度100MPa程度であるのに対し最小層厚20μmとすることで、空孔率0.5%以下、引張強度1100Mpa以上が実現されている。
 最後にSLS装置に関して主要なものを表2にまとめて示す。

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