【分析】レーザーによる金属積層造形技術の展望と展望

レーザー積層造形は、CAD/CAE ソフトウェアに基づいて材料モデルのデジタルデータを層状に重ね、レーザー加工によって 3 次元エンティティを層ごとに生成するプロセスです。 3D プリント技術に代表されるデジタル製造技術は、製品設計、製造プロセス、設備製造、材料準備、製造企業形態、さらには従来の産業システム全体に包括的かつ根本的な変化をもたらします。現在、世界中でデジタル製造業の新たな波が生まれています。伝統的な製造業の競争力の低下に直面し、先進国は「再工業化と再製造」を実現するために、知能ロボット、人工知能、3Dプリントの3つのデジタル製造技術を提案しています。

2012年、オバマ大統領は米国全体の競争力を強化するために、国家製造業イノベーションネットワークを設立することを議会に提案した。同年、オバマ大統領は、新しい3Dプリント技術とアプリケーションの研究開発を専門とする、政府と民間部門の共同出資による全米積層造形イノベーション協会をオハイオ州に設立すると発表しました。現在、わが国の製造業は規模は大きいが、強くはなく、転換とアップグレード、発展方式の変化の加速という重要な歴史的時期にあります。中国政府は、従来の製造業全体の変革における付加製造技術の重要性を認識し、関連する戦略計画を立てています。 2012年、中国工程院は「中国の付加製造技術工学科学技術開発戦略」と題する諮問報告書を執筆した。同年、中国工程院は武漢華中科技大学で「2012年国際付加製造技術フォーラムおよび第6回全国付加製造技術学術会議」を開催した。

2015年、工業情報化部、国家発展改革委員会、財政部は「国家付加製造産業発展促進計画（2015-2016年）」を発表し、2016年までに比較的完備した付加製造産業システムが最初に確立され、業界の売上高は年間平均成長率が30％を超える急速な成長を達成し、全体的な技術レベルが国際レベルと同期することを提案しました。本稿では、レーザーによる金属積層造形技術の原理と特徴を紹介し、国内外の積層造形技術開発の現状を分析した上で、今後の開発方向と注力すべき課題を提案する。

1 レーザーによる金属積層造形技術の原理と特徴 レーザーラピッドダイレクト製造技術の先進性と大きな発展の可能性を考慮して、世界中の重要な研究機関が研究を行っており、特に米国政府はラピッドプロトタイピングを非常に重視しており、徹底的な研究に多くの人材と資金を投入しています。 1980 年代後半、米国エネルギー省は、レーザークラッディングに基づく積層造形研究を実施するために、サンディア国立研究所、ロスアラモス国立研究所、ミシガン大学に同時に資金を提供しました。 1990 年代後半から 21 世紀初頭にかけて、さまざまな名前を持つラピッドマニュファクチャリングテクノロジーが深く研究され、急速に開発されました。粉末材料を搬送する方法の違いにより、金属積層造形技術は粉末敷設法と粉末供給法という 2 つの積層造形法に分けられます。粉末散布法は、まずスクレーパーを使用して粉末を散布し、次にレーザーを使用して加工する方法です。粉末散布システムに代表される加工方法は主に次のとおりです。

（１）テキサス大学オースティン校が開発したSLSシステム（選択的レーザー焼結法）
（２）ドイツのフラウンホーファー研究所とF&SSテレオリソグラフィーテクニックが開発したSLMシステム（選択的レーザー溶融）
（３）ドイツEOS社が開発したDMLSシステム（直接金属レーザー焼結法）

粉末供給方式は、レーザー加工と粉末搬送が同時に行われる方式です。粉末供給システムに代表される加工方式は主に以下の通りです。
（１）米国のサンディア国立研究所はレーザーエンジニアリングネットシェーピング（LENS）システムを開発した。
（２）ミシガン大学機械工学部は直接金属堆積（DMD）システムを開発した。
（３）カナダ国立科学アカデミーの統合製造技術研究所はレーザー合成またはLCシステム（レーザーコンソリデーション）を開発した。
（4）清華大学機械工学部はレーザーラピッド＆フレキシブル製造（LRFM）システムを開発した。
名前は異なりますが、原理は似ています。成熟した技術により、国際的な影響力を持つ企業グループが誕生しました。3D Systems、EOS、Stratasys、Concept Laser などが、積層造形の波の先駆者となっています。

1.1 選択的レーザー焼結技術
1989 年、テキサス大学オースティン校のカール・デチャード博士とジョー・ビーマン博士が SLS プロセスの開発に成功しました (米国特許 4863538)。その技術原理を図 1 に示します。まず、粉末材料の層を粉末床に広げ、スクレーパーまたはローラーで平らにします。レーザーは、走査経路に従って粉末面を選択的にスキャンし、粉末の温度をバインダーの融点（この温度は金属の融点よりも低い）まで上げ、焼結して結合を形成します。その後、粉末の広げと焼結のプロセスを繰り返して形成します。 SLS プロセスによって形成された 3 次元実体は、粉末冶金によって焼結されたブランクと似ています。内部には一定の割合の気孔があり、密度が 100% に達することはなく、精度が低く (0.1 ～ 0.2 mm)、機械的特性も劣っています。より高性能な SLS 部品を得たい場合は、高温焼結や熱間静水圧プレスなどの方法を使用して、部品の密度を高め、多孔性を低減する必要があります。

1.2 選択的レーザー溶融技術
SLM加工装置は主にレーザー、光路システム、成形シリンダー、粉末シリンダー、保護ガス、集塵機、冷却システム、CNCシステムで構成されており、その技術原理を図2に示す[1]。印刷する前に、ソフトウェアモデリングを使用して部品の3次元構造を取得する必要があります。STLファイルをインポートした後、材料の特性とプリンターの仕様に応じてレイヤー化およびスライスされ、必要なサポート構造が追加されます。印刷中、所定の走査経路に従って、高エネルギーレーザーが予め敷設された金属粉末を溶かし、凝固後に形状をとります。レーザーが照射されなかった粉末は、粉末敷設前の状態のままです。現在の層が印刷された後、スクレーパーが再び粉末を広げ、最後の層が印刷されるまで次の層を印刷します。 SLS 技術と比較して、SLM 技術で形成された部品は精度が高く (最大 0.02 mm)、密度が 100% に近い金属実体を得ることができます。印刷プロセス中、金属粉末は固体-液体-固体のプロセスを経ます。この加工方法は、複雑な形状のワークピースの製造に適しており、特に従来の機械加工では成形が困難な複雑な内部形状を持つ特殊形状構造物（冷却装置の冷却パイプなど）に適しています。 SLM の最大の問題は、金属粉末を溶融する際に部品内部に大きな熱応力が生じ、割れが発生しやすくなることです。張り出した構造、平面に対して傾斜角が小さい構造、垂直の穴などの特殊な構造は、いずれも成形を補助するためにサポートの追加が必要であり、サポートの除去も今日の後続処理が直面する困難な問題です。

1.3 レーザーネットシェーピング製造技術 レーザーネットシェーピング製造技術は、もともとサンディア国立研究所とプラットホイットニーによって開発されました。1997 年に、Optomec Design がその技術の応用ライセンスを取得しました (特許 US Patent 6046426)。サンディア国立研究所が開発した LENS システムは、主に YAG 固体レーザー、ガス組成を調整できるグローブボックス、CNC システム、粉末供給システムの 4 つの部分で構成されています。装置の加工精度はX、Y方向で0.05mm、Z方向で0.4mmに達し、最適化された部品の表面粗さは6.25です。レーザーネットシェーピング製造技術の原理を図3に示します。レーザーは高エネルギーのレーザービームを生成し、供給された粉末に照射して粉末を溶かします。粉末供給システムとレーザー光路が同期して移動すると、粉末は溶融池に入り、溶けてから固まり、層ごとに堆積して部品を形成します。レーザーネットフォーミングは部品を基板上に直接堆積させるプロセスであるため、その後の加工ではワイヤ切断装置を使用してワークピースを基板から分離する必要があります。また、加工中にレーザーエネルギーが継続的に入力されるため、熱の影響によって発生する熱応力も、その後の熱処理によって除去する必要があります。

2 積層造形用金属材料 金属 3D プリント技術の応用分野は、航空宇宙、医療、石油化学工学、自動車製造、射出成形金型、軽金属合金鋳造、宝飾品など、非常に広範囲にわたります。国内外の金属積層造形に使用される金属材料には、工具鋼、マルテンサイト鋼、ステンレス鋼、純チタンおよびチタン合金、アルミニウム合金、ニッケル基合金、銅基合金、コバルトクロム合金などがあります。 3Dプリント技術とその市場の発展動向から判断すると、いくつかの主要な海外積層造形企業は、積層造形産業の上流原材料市場をプラスチックや樹脂から金属へと移行しています。テクノロジー調査会社Technavioは最近、2016年から2020年までの世界の3Dプリント材料市場に関する調査レポートを発表しました。このレポートでは、世界の 3D プリント材料市場は今後 5 年間で年平均 25% 以上の成長率を達成すると予測されています。ドイツのEOSは、DMLS（直接金属レーザー焼結）市場における世界的リーダーです。同社は金属材料をベースにした一連のプリンターを開発しており、アルミニウム、コバルトクロム合金、スチールなどの機械に対応する印刷粉末も開発しています。スウェーデンのホガナスは世界有数の金属粉末メーカーです。1797年以来、化学、部品製造、溶接、冶金業界の顧客向けに材料を開発してきました。最近、17-4PHマルテンサイト系ステンレス鋼3Dプリント粉末材料を市場に投入しました。その他、米国のアルゲン社、米国のカーペンターテクノロジー社、ドイツのコンセプトレーザー社、英国のCPM社、イタリアのレゴールグループ社、英国のLPWテクノロジー社、米国のパイロジェネシス社、スウェーデンのサンドビック社などがある。国内の金属3Dプリント用粉末のほとんどは輸入に頼っており、高価です。このため、3Dプリント金属材料を専門とする国内の企業や機関は、金属3Dプリント材料を独自に開発するようになりました。最も代表的な企業には、西安ポリライト、銀邦有限公司、上海材料研究所、上海康蘇金属材料、新鑫3Dテクノロジーなどがあります。

3 積層造形の応用分野 基礎理論研究、プロセス技術開発、関連規格の策定を通じて、積層造形技術は徐々にいくつかの分野で産業発展の段階に入り、独自の応用展望を示しています。同時に、高価な設備、高い材料価格、複雑なプロセス、不完全な性能評価システムも、その適用範囲を制限しています。現在、積層造形法の主な応用分野は、航空宇宙、バイオメディカル、自動車製造、石油化学工学などに集中しています。

3.1 航空宇宙付加製造技術は、軽量化が求められるエンジンの複雑な部品の製造に非常に適しています。特定の機能を実現するために、部品は複雑な曲面構造や立体構造（中空ブレードなど）で設計する必要があります。一方で、従来の製造方法は、研究開発サイクルが長く、プロセスが複雑で、技術が難しく、製造コストが高いという問題があり、その一方で、現在のプロセス方法では、特殊な構造や性能を持つ部品の製造要件を満たすことができません。このとき、積層造形技術を応用することで、開発サイクルを効果的に短縮し、複雑な空間構造を実現し、製品設計を大幅に自由化することができます。航空宇宙分野ではチタン合金、コバルトクロム合金、アルミニウム合金が大量に使用されており、材料価格が高価です。従来の処理方法を使用すると、材料の利用率が低くなり、コストが高くなります。従来の製造プロセス（鋳造、鍛造、溶接、旋削、フライス加工など）と比較すると、積層造形技術では原材料を節約し、元の材料の 1/3 ～ 1/2 しか使用せず、製造速度は 3 ～ 4 倍速くなります。米国のGEは、航空機エンジン製造における積層造形技術の応用を積極的に推進しており、初期の成功を収めている。開発中の最先端の LEAP エンジンの燃料ノズルは、図 4 (a) に示すように量産段階に入りました。GE Aviation は、2020 年までに 10 万個の LEAP エンジン燃料ノズルを 3D プリントする予定です。このノズルを製造するための元の技術では、18個の部品を溶接する必要がありましたが、3Dプリント技術では直接成形できます。部品の重量は4分の1に軽減されましたが、耐用年数は従来の5倍に増加しました。

また、米国GE社も、図4(b)に示すように、航空機エンジンの高圧タービンブレードの印刷にダイレクトメタルレーザー溶融技術(DMLM)を採用しており、その材料はコバルトクロム合金である。このブレードには、従来の加工方法では製造が難しい複雑な冷却溝がいくつか含まれていますが、積層造形の自由成形特性により、設計要件を十分に満たすことができます。図4(c)はGEが直接金属レーザー焼結(DMLS)技術を使用して印刷したタービン入口を示しています。複雑な内部構造を持っていることがわかります。 2000年に米国ボーイング社は航空機チタン合金構造部品の製造に積層造形技術を適用し、特別技術規格（AMS4999）を策定した。図5はF/A-18E/Fの主翼根元リフティングリング（900mm×300mm×150mm）です。この部品の疲労寿命は設計要件の4倍で、元の最大引張力の2.25倍の静的荷重を受けても損傷しません。

2015 年 6 月、ドイツの MTU Aero Engines 社は、A320neo の GTF エンジンのタービンハウジングの一部であるニッケル合金製のボアスコープ内視鏡スリーブ (図 6) の製造に EOS の積層造形機の使用を開始しました。これにより、航空宇宙業界ではボアスコープと呼ばれるタービンブレードの摩耗や損傷を、保守担当者が内視鏡を使用して確認できるようになります。 MTU が積層造形技術を適用する前は、これらのスリーブは通常、鋳造とフライス加工を使用して製造されていましたが、コストがかかり、時間がかかりました。レーザー立体造形（LSF）技術に関する国内研究は早くから始まり、良好な成果を上げています。

1997 年、西北工業大学と AVIC 北京航空技術研究所が協力して、航空科学基金の主要プロジェクト「金属粉末のレーザー立体成形」に着手しました。国産で設計開発された大型旅客機C919には、積層造形技術が採用されている。図7（a）は、LSF技術で製造されたC919の主風防一体型窓枠である。レーザー成形サイクルは55日であるのに対し、海外発注サイクルは2年かかり、生産時間が大幅に短縮されている。海外の金型発注料は200万ドルにも達するが、国内のレーザー成形コストは金型費の10分の1に過ぎない。図7（b）は、LSFが製造したC919航空機の中央翼ストリップを示しています。材質はTC4で、部品サイズは450×350×3000（mm×mm×mm）です。成形後の長期配置後の最大変形は10mm未満です。静的荷重機械的特性の安定性は1％以上であり、疲労性能も同様の鍛造品よりも優れています。

3.2 医療用インプラント付加製造技術は、パーソナライズされた設計と生産を実現できるため、バイオメディカル分野で幅広い応用が期待されています。主に口腔内の歯の外科的治療、矯正、治療に使用されます。さらに、材料技術の発展により、生物組織の製造とその応用は、積層造形技術の重要な発展方向となるでしょう。 2016年8月、河南癌病院は「3Dプリント胸骨移植手術」を成功裏に実施しました。患者の腫瘍の範囲は広く、胸骨の切除範囲も広くする必要がありました。患者の状況から判断すると、従来の骨セメントやチタンプレートを使用した場合、切除した胸骨の形状に完全にはフィットしませんでした。術後の動きに患者が不快感を覚えるため、3Dプリント胸骨を使用しました。この胸骨は患者の胸骨の形状に完全にフィットし、元の体構造との調和を確保できます。図7(c)はプリントされたチタン合金の胸骨を示しています。患者は現在回復し、退院しました。 3D プリントは、患者の顎顔面、頭部、首の欠損の修復と再建に使用できます。従来の方法は、患者自身のふくらはぎから腓骨を切り取り、医師の臨床経験に基づいて垂直の腓骨を顎のL字型と比較的一致する構造に再形成することです。実際の適用では、この方法は患者の口腔の形態に完全に適合することができず、手術後の患者の咀嚼と顔の形態に大きな影響を与えます。

2016年3月、中山大学中山記念病院に「3Dデジタル精密修復再建センター」が設立されました。中山大学中山記念病院の李金松教授のチームは、3Dプリント技術を使用して50件以上の顎顔面骨の修復を行った。医療分野における3Dプリント技術の業界標準の欠如は、今日の医療業界が直面している大きな課題です。現在までに、米国食品医薬品局（FDA）は、てんかん治療用の3Dプリント処方薬SPRITAMと、3Dプリント技術を使用して製造された医療機器を承認しました。これらの機器には、主に整形外科用インプラントと手術器具が含まれます。今年5月には、「3Dプリント医療機器の技術ガイドライン草案」が発行されました。草案では、プロトタイプの設計、ソフトウェアの使用、材料の選択、処理パラメータ、および機器環境に関連する問題が議論され、関連する医療標準が議題に上がりました。国内の医療業界では寛骨臼インプラントの認証を1件しか取得しておらず、統一された業界標準も存在しないため、3Dプリントを医療に応用するには多くの障害に直面することになるだろう。

3.3 自動車部品パーソナライズされた自動車カスタマイズの販売では、パーソナライズされた自動車部品の独自の応用は従来の方法では大量生産できないため、3Dプリント技術は自動車分野で独自の応用展望を示しています。デザイナーは、独自にデザインした自動車のバンパー、バックミラー、その他の内装および外装の装飾部品を製造し、独自のカスタマイズされた自動車を組み立てることができます。 3D プリント技術は自動車分野にも応用されています。2013 年 3 月には、世界初の 3D プリント自動車「Ur-bee2」が発売されました。このハイブリッド自動車は、すべての部品が 3D プリント方式で加工されています。開発当初の目的は、最小限のエネルギー消費で最長距離を走行し、生産、使用、リサイクルの過程での汚染を最小限に抑え、可能な限り自動車生産現場に近い原材料で自動車を生産することで、自動車生産のエネルギー効率と環境への配慮を高め、生産プロセスをより便利にすることでした。この車の製造工程全体は、車の各部品を対応するプリンターに転送するだけです。2,500 時間後には車が組み立てられ、運転できるようになります。シャーシとエンジンはどちらもスチール製です。

3.4 石油化学工学
2016年5月、中国科学院蘭州化学物理研究所の材料表面界面研究グループは、3Dプリント技術を伝統的な表面工学に応用し、疎水性と親油性を備えた油水分離スキマーの開発に成功しました。従来の加工ではこのようなマイクロナノキャビティ構造は実現できませんが、3Dプリント技術を使えば複雑な微細構造を構築できます。この微細構造の加工により、優れた疎水性と親油性が得られ、ガソリン、食用油、鉱油など、さまざまな油の分離が可能になります。 3D Printing Worldの2016年9月20日の報道によると、中国広核集団がSLM技術を使用して設計・製造した複合流量計バルブが基本性能試験に合格し、バルブ本体の材料化学組成と基本機械特性は国際原子力規格RCC-Mの要件を満たしているという。今回製作したバルブ本体は長さ140mm、幅76mm、高さ56mmで、材質は316Lステンレスです。内部の配管構造が複雑なため、従来の製造方法では、全体の鋳造と部分的な精密機械加工が必要となり、加工サイクルが長くなりますが、SLM技術を使用すれば、バルブ本体の製造時間が大幅に短縮されます。

4 レーザー積層造形の開発方向

4.1 材料、設備、プロセス 近年、3Dプリンティングが注目されているものの、我が国と欧米先進国の間には、材料、設備、プロセスの面でまだ差があり、これらの分野における徹底的かつ体系的な研究が緊急に必要とされています。材料面では、静的特性と疲労耐性を向上させて、積層造形部品を鋳造や鍛造部品よりも優れたものにし、コストを削減するために新しい材料を開発する必要があります。設備面では、顧客のニーズを満たすために、優れた性能の成形部品を短時間で製造できるように、積層造形の速度を上げる必要があります。技術面では、製品製造プロセスの信頼性、機械的特性、表面品質を向上させる必要があり、サポートを減らし、取り外しやすいサポートを設計するプロセス方法を模索する必要があります。金属レーザー3Dプリント技術では、材料の準備、寸法精度と加工精度と制御、材料と性能の関係、レーザー、用途拡大などの共通の問題が常に設備のアップグレードの制約となっており、早急に克服する必要がある共通技術です。

4.2 複数当事者による共同開発 金属レーザー積層造形技術は、現代の情報化社会の製造特性を最もよく反映した革命的な技術であり、レーザー、機械、電子の3つの分野の最先端技術を統合し、現代の科学技術の発展の成果の最新の現れです。付加製造技術の開発と産業応用には、大学、研究機関、機器メーカー、材料メーカー、アプリケーション顧客間の連携が必要であり、相互利益とWin-Winの結果を達成し、産業発展の好循環を共同で促進する必要があります。上流企業は高品質の印刷材料を生産し、中流の設備製造企業は処理品質を向上させ、下流の販売・サービス企業は顧客の要求を迅速にフィードバックすることで、全体的な科学的計画と共同研究開発を実施します。

4.3 クラウド製造 金属レーザー3Dプリントクラウド製造産業チェーンのクラウドプラットフォーム技術を構築し、デジタル工場モデルを確立し、インターネットやモノのインターネットなどの関連伝送方式と組み合わせます。バリューチェーンとクラウドサービスを通じて、3Dプリント産業チェーンにおける企業の水平統合を実現し、カスタマイズ生産やクラウドサービスなどの新しい生産方法とサービス形式を実現します。

4.4 評価システムの標準化 従来の製造方法で製造された部品と同様に、金属積層造形部品の評価システムにも、材料技術、機械加工、表面処理および改質評価の 3 つのカテゴリが含まれます。 3D プリント規格には、材料サイズ、化学組成、材料粘度などを含む材料規格、プロセス、性能試験方法、システム構成試験方法などを含むプロセス規格、および部品の適用領域の範囲や技術仕様などを含むアプリケーション規格という 3 つの主要な側面があります。現在、積層造形に関する試験・評価基準はまだ少なく、多くの冶金特性分析・評価には従うべき基準がありません。今後、3Dプリント部品の材料特性に関する関連研究を強化し、3Dプリント製品の関連基準の策定を推進することが急務となっています。欧州ではすでに一連の標準規格の策定が始まっています。SASAM 積層造形標準化グループは、ISOTC261、ASTMF42、CEN/TC43 などの複数の標準規格を参考に、主要な積層造形メーカーを集めました。共通の標準草案に基づいて、欧州規格と国際規格が共同で立ち上げられ、2015 年の積層造形標準化ロードマップが発表されました。我が国は、3Dプリントの標準策定において依然として比較的遅れています。今後は、標準の策定と改善を加速し、金属レーザー3Dプリントの応用分野を拡大し、さまざまな分野で金属レーザー3Dプリントのプロセス技術と標準を開発し、製品の成形性能をテストする手段と方法を研究する必要があります。

5. まとめと展望 積層造形技術は欧米先進国で早く開発され、中国よりも早く商業化されました。自国の積層造形産業をより早く発展させたいのであれば、先進国の発展モデルから学び、既存の誤りを避けることが、現地の工業化の発展を加速させる道です。付加製造業も、伝統産業の発展モデルを参考に、原材料の研究開発、設備製造、ソフトウェア開発、サービストレーニング、人材育成などの面から完全な産業チェーンを形成し、上流開発から下流サービスまで多点配置と多ライン開発でハイエンド製造業のアップグレードと変革の発展機会を目指し、既存の運営モデルを革新し、付加製造業の産業化プロセスを加速させる必要があります。産業応用を行う際には、知的財産権の保護に注意を払わなければなりません。米国と日本は特許技術においてすでに他国より進んでいます。開発された新技術が特許制度によって保証されなければ、将来の産業発展にとって大きな障害となるでしょう。成熟した産業用アプリケーションは、独立したコア知的財産権とコア機器コンポーネントによって保証される必要があります。わが国は産業変革の重要な時期を迎えており、今後の発展の方向性を把握することは、国際製造市場における中国の将来の地位に大きな影響を与えるでしょう。

著者: 陳忠旭、姚希宇、郭亮、張青茂 (華南師範大学、広東省マイクロナノ光機能材料およびデバイス重点研究室)

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