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。





2.2 Laser Generating(LG)

LGは、レーザーによる肉盛溶接(レーザークラッディング)技術の延長技術で、加工ヘッド先端近傍よりパウダ、ワイヤ等の溶加材を供給し、所望の三次元形状を成形する技術である。積層部である対象は固定し、レーザー照射、溶加材供給を行うヘッド部を駆動する方式と逆にヘッド固定で対象部が駆動する方式が各々開発されている。
TRUMPFは、先述のレーザーシンタリング装置と同時にLG技術に対応したDMD(Direct Metal Deposition)装置も商品化している。これは比較的小さな寸法領域を対象とするDirect Laser Forming(レーザーシンタリング)装置では対応不可能な寸法に対応するための技術との位置付けであり、2m × 1m × 0.8m程度までの寸法に対応することができる。想定している主要な適用先は、3D形状部品(例えば金型、工具等)の欠損部、磨耗部の補修用途である。例えば、ツールに欠損部が生じた場合、図6に示すように、機械加工後、DMDプロセスを実施し、最終仕上げを行う適用が考えられる。このような適用により、損傷ツール補修、設計変更金型の修正、金型試作といった作業時間短縮効果が期待できる5)
システムは2〜6kWのCO2レーザーもしくはYAGレーザーを用い、最大4系統のパウダー送給ノズルを有するヘッドで肉盛溶接を行う構成である。従来のプラズマ肉盛、TIGアーク肉盛と比較すると、この技術により溶着金属量の精密制御、熱影響領域の最小化、溶着金属の高密化が可能となる。施工能率は、層厚0.2〜1.0mmの場合で20〜60cm3/h程度である。
このプロセスは、接合境界層を形成することから従来は溶接接合が困難であった異材組合せの積層が可能である。これにより対象材料構造の高度化も可能である。図7は射出成形用金型の例であり、ヒートシンクとしての最適冷却性能のために熱伝導が良好なCu-Cr合金上に耐摩耗機能強化のための鉄系材を積層した例である。これによりツール性能が向上し生産性向上に寄与できる。
Fraunhofer IPTでは、Laser deposition weldingと高速ミリングを1つの装置に統合したツールを開発している6)。開発システムは、パウダだけでなくワイヤの送給系も用いることができる。パウダ送給時には300WのYAGレーザー、ワイヤ送給時には1200WのDDL(Direct Diode Laser)を使用している。ここでは、加工ヘッド近傍より供給されるパウダもしくはワイヤの積層溶接と高速ミリングとの組み合わせ加工をControlled Metal Build Up(CMB)と称している。この加工の利点は各層の溶接後に切削加工を行うことが可能となるため、アスペクト比の高い溝形状も容易に形成できる点にある。一連のプロセスにおけるボトルネックは溶接・機械加工のツールパスの生成であり、市販のCAD/CAMベースのソフトを開発によりパラメータ入力や加工線設定を容易にし、従来は数時間、場合によっては数日必要とあったパス生成作業を数分で完了でき、射出成形用金型等の試作例や補修例が報告されている。詳細は、文献6、7を参照頂きたい。
Laser Engineered Net Shape(LENS)と称するCADデータから直接形状形成を行う技術がある8、9)。このプロセスでは溶加材としてパウダーを用い、パウダ送給系、レーザー出射レンズは固定、ステージが駆動する構成が用いられる(図8)。このLENSプロセスは既に種々の材料への適用性の確認が進められている(表3)。このプロセスは小ロットの生産や開発過程における型の修正・改良に適している。また、全体部品を一から成形していくのではなく、コア部分を鋳造により製作し、カスタマイズ部分をこのプロセスにより製作する(図9、10)という使用により、製作時間、コストの大幅低減が可能となる(例えば、図9の例では、6ヶ月-3日、図10の例では200%のコストダウン)。特にカスタマイズが不可欠なインプラントなどには最適な工法の一つといえる。このLENSプロセスは、適用材料検証の豊富さと形状に対するフレキシビリティから各種実用化が図られている。実用例としては、軍用ヘリコプターのエンジンブレード補修がある(図11)。このプロセスの利点は、カスタマイズ品へのフレキシブルな対応が可能であることに加え、優れた機械特性が得られる点である。これは、一般の鍛造品と比較して超微細組織が得られるため、強度・延性・耐食性、耐磨耗性が向上が図れるものである。
図12の例では、30%の耐食性が確認された。また表4に示すように強度特性改善効果が確認されている。また、工法としての利点としては、単一材だけでなく内部にセンサ等を配置した構造や冷却水経路を確保した中空構造も容易に形成可能、材料に傾斜機能を付加することも容易、等の点が挙げられる。例えば6-4Ti合金にTiCの耐食コーティング層を形成する、ガスタービン材料に耐摩耗Co合金を添加する、射出成形用金型に微細組織の耐食ステンレス層を付加する等の検討がなされている。







3. 今後の展望

3.1 熱源の進歩

SLSに用いられる熱源としてのレーザー発振器は、CO2レーザーやYAGレーザーからビーム品質が良好な(M2≒1.0)固体レーザーであるファイバーレーザーやディスクレーザーへシフトが開始された。これらのレーザー発振器より得られるビームはビーム品質が良好で、平均出力200W、エネルギー密度25kW/mm2の出力レベルまで200mm角を越えるエリアを100μm程度のビームでスキャニングすることができる。またCO2レーザーと比較して短波長であることから材料吸収率も向上する。今後は、これらの発振器価格の低下に伴って一層転換が加速していくものと推察される。
LGではヘッドを駆動させる場合、そのフレキシビリティの高さからファイバー伝送可能なYAGレーザーが用いられる場合が多かった。近年ではファイバー伝送可能なファイバーレーザーやディスクレーザーの進歩が目覚しく、SLSと同様にこれらのレーザーに熱源がシフトしていくものと思われる。加えてLGではビームをスキヤンするSLSほどのビーム品質は必要ないことから、光ファイバー伝送した半導体レーザーも高発振効率、短波長化に伴う材料吸収向上の観点から適用が進んでいくものと考えられる。

3.2 今後の展開

SLS、LGともにハード、ソフト、施工プロセスの開発が進み、材料取り扱い範囲の拡大、表面・内部の品質並びに強度の評価の進展に対応して、射出成形用金型(Rapid Tooling)や限られた数量の実部品のプロトタイプとしての試作(Rapid prototyping)のための技術との位置付けから、鋳造や薄板成形用の金型、射出成形型、等の実用金型製造技術、実部品の補修技術との位置付けに進化しつつある。
大量生産に向けての現状の課題の一つに、材料の強度や耐磨耗性ではなく、表面仕上げ時に開口する残留ポロシティがあるが、メーカ・ユーザ・研究機関ともその課題解決に向けて精力的に開発を行っている。この課題についてもクリアした実用例としてインペラや射出成形型、ゴルフボール用型、等の実用部品の大量生産への適用(先述のEOS社DirectSteel H20の適用例)が報告されている。今後のメーカ・ユーザー体となったアプリケーション開発が期待される。
LG、DMDプロセスの実用化に関しては、これまでに述べたような工具、金型、実用部品(タービン翼など)の補修用途へのニーズが高く、開発が注力されている。このうち、タービン翼などの実用部品は、対象材料構造の開発も進み、材料自体の高機能化のスピードも早い。例えば、ガスタービンや航空機エンジン等はNi基超合金を使用し、高温強度確保の観点から単結晶材(SC)も用いられる。SC材の補修に従来のろう付や溶接を適用した場合、補修部組織が多結晶となるため強度低下が大きな問題となることから、LGプロセスを応用した結晶制御技術の開発も行われている10、11)。レーザー照射条件、パウダ送給条件等のプロセスパラメータ適正化を検討し、補修のための積層組織が単結晶化できる見込みが報告されており、今後の実用化が期待される。
またこれらの技術は特にカスタム品に適しており、例えば歯科技工用のレーザー加工システムが提案されている雪加工は、①光学式スキャナーによる形状取得、②3Dデータ化、③3D造形、④仕上げ、⑤セラミックコーティング、のフローで進められる。この技術により、将来的には歯科医院にてスキャンした形状データをe-mail等で加工場所に送信し、製作するという運用が想定されている。
将来的には、同様のコンセプトで他の例でも示したインプラントの製作等(図13)も活発になってくることが予想され、ハード技術と、プロセスおよびデータ処理のソフト技術、そして、それを受入れるITを基盤とした社会構造により一層の技術の進歩が期待される。


[参考文献]
1) DMLS – DEVELOPMENT HISTORY AND STATE OF THE ART, M.Shellabear 他,Proc, of the LANE2004, 393¬404
2) Selective laser sintering of metal molds :the RapidTool process, U.Hejmadi & K.McAlea, Solid Freeform Fabrication Symposium, Aug. 12-14,1996
3) 金属材料を使う積層造形装置EOSINTMの最新状況、前田、第62回レーザー加工学会論文集(2004)、73-76
4) Diode Pumped Fiber Laser in Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Process, T.Syvanen, M.Heugel & R.Domrose, ICALEO, Oct. 4-7, 2004
5) APPROACHING NEW MARKETS WITH NEAR NET SHAPE TECHNOLOGIES, J.Hutfless, Proc, of the LANE2004, 79-92
6) QUICK MANUFACTURE, REPAIR AND MODIFI¬CATION OF STEEL MOULDS USING CONTROLLED METAL BUILD UP (CMB), F.Klocke 他,Proc, of the LANE2004, 579-587
7) Manufacture of high strength tools from steel, F.Klocke 他, Proceedings of SME Rapid Prototyping & Manufacturing Conference, May 14-17, 2001.
8) Free Form Fabrication of Metallic Components using Laser Engineered Net Shaping (LENS(tm)), ML Griffith, SFF Symposium, Aug. 12-14,1996.
9) LASER BASED ADDITIVE MANUFACTURE USING LENSTM AND M3DTM, M.Hedges, Proc, of the LANE2004, 523-534
10) 単結晶翼の補修溶接技術の開発、下畠他、第61回レーザー加工学会論文集(2004)、184 -186
11) 局部結晶制御によるガスタービン翼補修技術の開発、川崎他、第190回溶接法研究委員会資料