1つの記事でわかる：レーザー積層造形技術の研究状況と開発動向

積層造形技術は、積層造形の原理に基づき、材料を層ごとに積み重ねる手法でデジタルモデルを物理的な部品に直接変換する新しい製造技術です。米国材料試験協会 (ASTM) F42 国際委員会は、積層造形を次のように定義しています。積層造形とは、3 次元モデルデータに基づいて材料を接続して物体を形成するプロセスです。積層造形は、通常は層ごとに積み重ねるプロセスです。積層造形技術は、デジタル技術、製造技術、レーザー技術、新素材技術など複数の分野を統合し、CADデジタルモデルを3次元のソリッドパーツに迅速かつ正確に直接変換し、真の「自由な製造」を実現します。従来の製造技術と比較して、付加製造技術は、柔軟性が高く、金型が不要で、サイクルが短く、部品の構造や材料に制限がないなど、一連の利点があり、航空宇宙、自動車、電子機器、医療、軍事などの分野で広く使用されています。

積層造形技術は製造業の研究のホットスポットとなり、中国を含む多くの国が広範囲かつ徹底的な研究を行ってきました。欧米の専門家は、この技術が製造業の発展における新たな潮流であり、「第三次産業革命」となることが期待される代表的な技術であると高く評価しています。レーザー積層造形（LAM）技術は、レーザーをエネルギー源とする積層造形技術です。レーザーはエネルギー密度が高いという特徴があり、チタン合金や航空宇宙分野で使用される高温合金など、加工が難しい金属の製造を実現できます。同時に、レーザー積層造形技術は部品構造に制約されないという利点もあり、複雑で加工が難しい薄肉部品の加工・製造に使用できます。

現在、レーザー積層造形技術で使用される材料は、チタン合金、高温合金、鉄系合金、アルミニウム合金、耐火合金、アモルファス合金、セラミックス、傾斜材料などをカバーしており、航空宇宙分野の高性能複合部品やバイオ製造分野の多孔質複合構造の製造に大きな利点があります。レーザー積層造形技術は、その成形原理によって分類されます。最も代表的なものは、粉末床敷設を技術的特徴とするレーザー選択溶融（SLM）と、同期粉末供給を技術的特徴とするレーザー金属直接成形（LMDF）です。本稿では、これら 2 つの代表的なレーザー積層造形技術の原理と特徴の説明を踏まえ、これら 2 つの技術の開発と研究の状況をまとめることに焦点を当て、レーザー積層造形技術の現在の開発動向を探ります。

選択的レーザー溶融技術の研究状況
1 SLM技術の原理と特徴<br /> 選択的レーザー溶融 (SLM) 技術は、高エネルギーのレーザービームを使用して、事前にコーティングされた金属粉末を所定の走査経路に沿ってスキャンし、完全に溶かしてから冷却して固めて形状にします。技術的な原理を図1に示します。

SLM テクノロジーには次の特性があります。
（１）成形原料は一般に金属粉末であり、主にステンレス鋼、ニッケル基高温合金、チタン合金、コバルトクロム合金、高強度アルミニウム合金、貴金属などが含まれる。
（２）金属部品は、微細に焦点を絞ったレーザービームを使用して成形されます。成形された部品は高精度であり、研削やサンドブラストなどの簡単な後処理で精度要件を満たすことができます。
（３）成形品の機械的性質は良好であり、一般的な引張特性は鋳物を超え、鍛造品のレベルに達することができる。
（4）送り速度が遅いため、成形効率が低く、部品サイズは粉末充填作業ボックスによって制限されるため、大型一体部品の製造には適していません。

2. SLM技術の現状
SLM テクノロジーは、実際には選択的レーザー焼結 (SLS) テクノロジーに基づいて開発されたレーザー付加製造テクノロジーです。 SLS技術は、テキサス大学オースティン校のデッカード教授によって初めて提案されました。しかし、SLS成形プロセス中の粉末接合強度が低いという問題がありました。この問題を解決するために、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所のマイナースは、1995年に金属粉末溶融に基づく選択的レーザー溶融技術の概念を提案し、1999年にはドイツのフォックルとシュヴァルツェと共同で、ステンレス鋼粉末に基づく最初のSLM成形装置を開発しました。その後、多くの国の研究者がSLM技術に関する広範な研究を行ってきました。

現在、SLM 技術の研究は主にドイツ、米国、日本などの国に集中しており、主に SLM 装置の製造および成形プロセスに焦点が当てられています。海外には、米国のPHENIX、3D SYSTEM、ドイツのEOS、CONCEPT、SLM SOULITION、日本のMATSUUR、SODICKなど、SLM装置を専門に製造している企業が数多くあり、いずれも優れた性能のSLM装置を製造しています。現在、ドイツのEOS社が製造しているEOS M400 SLM装置は、最大処理容積が400mm×400mm×400mmです。中国では、SLM装置の研究は主に大学に集中しています。華中科技大学、西北工業大学、華南理工大学などの大学は、SLM装置の製造と開発において多くの研究作業を行い、それを成功裏に応用しています。その中で、華中科技大学のShi Yusheng氏のチームは、大型レーザー選択焼結装置の研究と応用により、2011年に国家技術発明賞の2等賞を受賞しました。しかし、中国では成熟した商用設備にはまだギャップがあり、現在中国で使用されているSLM設備は主に外国製品です。これは、今後の中国のSLM技術の発展の重要な方向となるでしょう。 SLM成形技術に関しては、多くの研究機関が徹底的な研究を行ってきました。

ベラルーシ科学アカデミーのトルコチコ氏は、選択的レーザー溶融中の金属粉末の球状化の具体的なプロセスを研究し、金属粉末の球状化によって主に円盤、カップ、球の3つの典型的な形状が形成されることを指摘し、それぞれの形成メカニズムを分析しました。ドイツのルール大学のマイヤー氏は、レーザー選択溶融におけるステンレス鋼粉末の相対密度とプロセスパラメータの関係を研究し、高いレーザー出力は高密度の金属部品の形成に役立ち、低い走査速度は走査線の連続性に役立ち、緻密化を促進することを発見しました。英国リーズ大学の Badrossamay らは、ステンレス鋼と工具鋼合金粉末に関する SLM 研究を実施し、走査速度、レーザー出力、走査間隔が成形部品の品質に与える影響を分析しました。華中科技大学のShiらは、SLM成形時の溶融池境界が成形部品の性能に与える影響について詳細な研究を実施しました。この研究では、溶融池境界が成形部品の機械的特性、特に延性と靭性に大きな影響を与えることがわかりました。華南理工大学のヤン・ヨンチアンら[17]は、SLM成形金属部品の表面粗さに影響を与える要因を研究し、成形部品の表面粗さは主に溶融チャネル幅、スキャン間隔、粉末層の厚さの影響を受けることを発見した。彼らはまた、電気化学処理を用いて表面精度を向上させる方法を提案した。

近年、SLM技術の開発は多くの国から強力な支援を受けています。2012年、米国国防総省は選択的レーザー溶融イノベーション国家同盟（NAMII）を設立しました。国防総省、エネルギー省、商務省、国立科学財団（NSF）、および米国航空宇宙局（NASA）は共同で、レーザー選択的レーザー溶融パイロットアライアンスに4,500万ドルを投資することを約束しました。このイノベーションアライアンスには、40の企業、9つの研究大学、5つのコミュニティカレッジ、11の非営利団体が含まれています[18]。ボーイング、ロッキード・マーティン、GEアビエーション、サンディア国立研究所、ロスアロモス国立研究所など、よく知られたアメリカの企業がすべて関与しています。

さらに、イタリアのAVIO、カナダの国立研究所、オーストラリアの国立科学研究センターなどの大企業や国立研究機関、そして中国の華中科技大学や華南理工大学などの大学でも、SLM技術に関する研究が盛んに行われています。米国のGEは2012年にモリステクノロジーズを買収し、モリスのSLM装置とプロセス技術を利用して、図2(a)と(b)に示すように、ジェット機専用のエンジン部品を製造しました。GEは、レーザー積層造形技術を将来の航空機エンジンの開発を促進するための重要な技術として明確に位置付けています。同時に、SLM 技術は医療分野でも重要な応用があります。スペインのサラマンカ大学は、図 2 (c) に示すように、オーストラリア科学協会が開発した Arcam SLM 装置を使用してチタン合金の胸骨と肋骨を製造し、胸部がんの患者に移植することに成功しました。西北工業大学、華中科技大学、華南理工大学は、わが国で最も早く、最も綿密にSLM技術研究を行っている科学研究機関です。これらの大学はSLM技術の研究で多くの満足のいく成果を達成しました。図2(d)～(f)に示すように、これらの大学はSLM技術を使用して、複雑な構造を持つ多数の金属部品を製造しています。

レーザー金属直接成形技術の研究状況

1 LMDF技術の原理と特徴<br /> レーザー金属直接成形（LMDF）技術は、ラピッドプロトタイピングの基本原理を活用し、金属粉末を原料として使用し、高エネルギーレーザーをエネルギー源として採用しています。所定の処理経路に従って、同期して供給される金属粉末は層ごとに溶融され、急速に固化されて層ごとに堆積され、金属部品の直接製造を実現します。通常、レーザー金属直接成形システムプラットフォームには、レーザー、CNC ワークベンチ、同軸粉末供給ノズル、高精度調整可能粉末フィーダー、およびその他の補助装置が含まれます。その原理を図3に示す[19]。レーザー金属直接成形技術は、レーザークラッディング技術とラピッドプロトタイピング技術の利点を統合し、次のような特徴を備えています。
（１）金型が不要で複雑な構造も製造できるが、片持ち梁構造のため、それに応じた支持構造を追加する必要がある。
（２）成形サイズに制限がなく、大型部品の製造が可能。
（３）異種材料の混合加工や傾斜材料の製造が可能となる。
（４）破損した部品はすぐに修理できる。
（５）形成された構造は均一であり、良好な機械的性質を有し、方向性構造の製造を実現することができる。

2 LMDF技術の開発状況
LMDF 技術は、同期粉末供給技術とレーザークラッディング技術を組み合わせたラピッドプロトタイピング技術に基づいて開発されたレーザー積層製造技術です。 LMDF技術は、米国三大国立研究所のレーザーニアネットシェーピング技術（LENS）に端を発し、その後、多くの国際研究機関で急速に発展し、米国ロスアラモス国立研究所の直接レーザー製造（DLF）、スタンフォード大学の形状堆積製造（SDM）、ミシガン大学の直接金属堆積（DMD）、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所のレーザー金属堆積（LMD）、中国の西北工科大学のレーザー立体成形技術（LSF）など、さまざまな名前が付けられました。名前は異なりますが、技術原理はほぼ同じで、すべて同期粉末供給とレーザークラッディング技術に基づいています。

現在、LMDF技術の研究は、主に成形プロセスと成形微細構造性能の2つの側面に焦点を当てています。米国のサンダイ国立研究所とロスアロモス国立研究所は、ニッケルベースの高温合金、ステンレス鋼、チタン合金などの金属材料に対して、レーザー金属直接成形の研究を大量に実施しました。製造された金属部品は、形状が複雑なだけでなく、従来の鍛造技術で製造された部品に近いか、それ以上の機械的特性を備えています。ローザンヌのスイス工科大学のクルツ氏らは、レーザーラピッドプロトタイピングのプロセスパラメータが成形プロセスの安定性、成形部品の精密制御、材料の微細構造と性能に与える影響について詳細な研究を行い、この技術を単結晶ブレードの修理に応用しました。

清華大学のZhong Minlin氏とNing Guoqing氏は、レーザー高速成形用の同軸粉末供給システムの開発とクラッディング高さの検出と制御の研究で進歩を遂げました。西北工業大学のHuang Weidong氏は、単層コーティングの厚さ、シングルパスコーティングの幅、オーバーラップ率などの主要なパラメータを正確に制御することで、内部が緻密で表面品質が良好な成形部品を得ました。西安交通大学のZhang Anfeng氏とLi Dichen氏は、DZ125L高温合金部品のレーザー金属直接成形中に、さまざまなプロセスパラメータ（レーザー出力、スキャン速度、粉末供給速度、Z軸リフトなど）がシングルパスクラッディング層の高さ、幅、アスペクト比、成形品質に与える影響を研究し、プロセスパラメータを最適化しました。

近年、LMDF技術は多くの国で注目され、精力的に開発されています。2013年、欧州宇宙機関（ESA）は「ハイテク金属製品の効率的な生産と廃棄物ゼロを実現するための積層造形プロジェクト」（AMAZE）計画を提案しました。この計画は2013年1月に正式に開始され、フランスのエアバス、欧州航空防衛グループ（EADS）のアストリウム、英国のロールスロイス、英国のクランフィールド大学とバーミンガム大学を含む28の機関が集まり、レーザー金属積層造形に関する研究に共同で取り組み、積層造形を金属時代に持ち込むことを目指しています。その主な目標は、廃棄物がほぼゼロで、大規模なゼロ欠陥の積層造形金属部品を迅速に生産することです。同時に、米国の三亜国立研究所、ロスアロモス国立研究所、GE、米国航空宇宙局（NASA）、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所、そして中国の北京航空航天大学、西安交通大学、西北工業大学もLMDFに関する徹底的な研究を行ってきました。

アメリカ航空宇宙局（NASA）のジェット推進研究所は、複数の金属または合金を単一の部品に混合して印刷できる新しいレーザー金属直接成形技術を開発しました。これにより、図4（a）に示すように、同じ部品の異なる部分で特性が異なるという、航空機、特に宇宙船の部品の製造における長年の問題が解決されます。英国ロールスロイス社は、レーザー金属直接成形技術を用いて、チタンとアルミニウム合金製のトレントXWB-97（ロールスロイス社が開発したターボファンシリーズエンジン）の前部ベアリングシートを生産する予定です。前部ベアリングシートには、図4（b）に示すように、直径1.5m、長さ0.5mの翼ブレード48枚が含まれています。北京航空航天大学の王華明氏のチームも、図4（c）に示すように、レーザー金属直接成形技術を使用して大型航空機チタン合金の主要荷重支持部品の補強フレームを製造し、国家技術発明賞の一等賞を受賞した。西安交通大学は国家の「973プロジェクト」の支援を受けて、レーザー金属直接成形技術を用いた中空タービンブレードの製造に関する研究を行い、図4（d）に示すように、複雑な構造の中空タービンブレードの製造に成功しました。

レーザー積層造形技術の開発動向
1 装備<br /> 経済的で効率的な設備は、レーザー積層造形技術の広範な推進と発展の基礎である[30]。現在、高出力レーザーの使用と粉末供給効率の継続的な向上により、レーザー積層造形の加工効率は大幅に向上している。しかし、大型部品の製造効率は依然として比較的低く、レーザー積層造形設備の価格も比較的高い。そのため、設備のコストを削減しながら、設備の加工効率をさらに向上させることは極めて重要である。さらに、レーザー積層造形装置は、従来の加工と組み合わせることもできます。たとえば、ドイツのDMG MORIのLasertecシリーズは、レーザー積層造形技術と従来の切削技術を統合しています。従来のプロセスでは加工が難しい複雑な形状を製造できるだけでなく、レーザー金属積層造形プロセスにおける表面粗さの問題を改善し、部品の精度を向上させることができます。

2. 材料
金属材料のレーザー積層造形技術では、金属粉末が原料となり、金属粉末の品質が成形部品の最終品質に直接影響します。しかし、現在、レーザー積層造形用に特別に製造された金属粉末は存在しません。現在のレーザー積層造形プロセスで使用される金属粉末は、すべてプラズマ溶射、真空プラズマ溶射、高速酸素燃料フレーム溶射などの熱溶射プロセス用に以前に開発されたものであり、基本的にアトマイゼーションプロセスを使用して製造されています。このタイプの金属粉末は、製造工程中に中空粒子を形成することがあります。これらの中空金属粉末をレーザー積層造形に使用すると、部品に穴や亀裂などの欠陥が発生します。 2015年3月に米国オーランドで開催された第7回レーザー積層造形シンポジウムでは、レーザー積層造形で使用される金属粉末が会議の焦点となり、会議に出席した専門家や学者から高い注目を集めました。そのため、レーザー積層造形で使用される金属粉末は、今後の研究の焦点となるでしょう。

3. テクノロジー<br /> レーザー積層造形プロセスについては多くの研究が行われていますが、部品の成形プロセスにはまだ多くの問題が残っています。 SLM 成形プロセスには、複雑な物理的、化学的、冶金的プロセスが伴い、球状化、多孔性、亀裂などの欠陥が生じやすくなります。LMDF 成形プロセスでは、高エネルギーレーザービームの長期にわたる周期的な強力な加熱と冷却、溶融池の底部の強い拘束下での移動溶融池の急速な凝固と収縮、およびそれに伴う短期的な非平衡周期的固体相変化により、部品内部に大きな内部応力が生じ、部品の重大な変形や亀裂が生じやすくなります。レーザー積層造形技術のプロセスをさらに最適化し、成形プロセスにおける欠陥を克服し、部品の内部応力の変化、変形および亀裂挙動、凝固構造の形成、レーザー積層造形中の内部欠陥形成メカニズムなどの重要な基本問題に関する研究を強化することが、今後の研究の焦点であり続けるでしょう。

我が国のレーザー積層造形技術は早くからスタートし、多くの研究成果を上げていますが、海外とはまだ一定の差があります。投資をさらに増やし、研究の進歩を加速させる必要があります。レーザー積層造形技術は新興技術として、今後は「生産、学習、研究」の統合発展にさらに重点を置くべきであり、市場の需要に導かれて一連のプロセス仕様と標準を策定し、徐々に重要なプロセス問題を解決し、コストを削減し、レーザー積層造形技術をできるだけ早く我が国の産業変革の重要なツールにすべきである。

編集者: Antarctic Bear 著者: Yang Qiang、Lu Zhongliang、Huang Fuxiang、Li Dichen (西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室)

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