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金属３Dプリンタ先進活用事例

近畿大学次世代基盤技術研究所京極秀樹

2013/10/28（於：経済産業省）

新ものづくり研究会

資料３


はじめに積層造形技術の歴史

小玉（名古屋市工研）

1.5 KW CO2レーザ

世界初の金属レーザ積層造形装置（DTM社、１９９２）

Prof. Beaman Prof. Bourell

テキサス大学オースティン校、

(J.J. Beaman, et al., “Solid Freeform Fabrication”, Kluwer Academic Publishers,(1997)) 1


はじめに

Fig. National Testbed Center Concept* * D.L. Bourell, M.C. Leu and D.W. Rosen, “Roadmap for Additive Manufacturing 2009”

- “The Roadmap for Additive Manufacturing (RAM) Workshop” - Prof. Bourell (UT Austin), Prof. Leu (Missouri Univ. S&T), Prof. Rosen (Georgia Tech.) - “Roadmap for Additive manufacturing- Identifying the Future of Freeform Process-” • Industry Targets • Goals, Barriers • Design & Analysis • Processes & Machines • Materials &Processing • Nano/Biotechnologies • Energy/Sustainability

Fig. Schematic Visualization of the AM Field and Research Opportunities and Efforts*

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はじめに

（Gartner Hype cycle 2013）

■ 積層造形技術の現状

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Category Description

Binder Jetting Liquid bonding agent selectively deposited to join powder

Material Jetting Droplets of build materials selectively deposited

Powder Bed Fusion Thermal energy selectively fused regions of powder bed

Directed Energy Deposition Focused thermal energy melts materials as deposited

Sheet Lamination Sheet of material bonded together

Vat Photopolymerization Liquid photopolymer selectively cured by light activation

Material Extrusion Material selectively dispended through nozzle or orifice

積層造形技術

Additive manufacturing Categories As defined by ASTM F42 Committee

■ 名称の変遷 • ラピッドプロトタイピング（RP：Rapid Prototyping） • ラピッドマニファクチャリング（RM: Rapid Manufacturing） • アディティブマニファクチャリング（AM：Additive Manufacturing）

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■ 現状（主な金属３Dプリンタの仕様） ■ 標準的な仕様 ●レーザ（ファイバーレーザ・200～400 W） ●造形速度（～20 cm3/h） ●造形精度（～50 µm） ●造形サイズ（250x250x300 mm程度） ●装置価格（１億円程度）

メーカ EOS SLM Concept Laser Phenix Systems

装置 M280 SLM500HL M2 PXL

レーザ Yb-ファイバーファイバーファイバーファイバー

レーザ出力(W) 200/400 2x400 200/400 500

スポット径(μm) 100～ 80～150 50～200 －

走査速度(mm/s) ～7000 ～1500 ～7000 －

積層ピッチ(μm) 20 20～200 20～80 －

積層速度(cm3/h) 20 70 2～20 －

造形サイズ(mm) 250x250x325 500x280x325 250x250x280 250x250x300

装置開発の動向

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装置開発の動向

・レーザの高出力化・高速化 ⇒ 造形速度の高速化・製品の形状及び精度 ⇒ 複雑形状化・高精度化・装置の多様化 ⇒ 小型化・大型化

0

250

500

750

1000

25 50 75

造形速度（cm3/h）

LUMEXAdvance-25

SLM500HL(400Wx2)

100

EOS M280Concept Laser M2

Concept LaserX line 1000R

SLM280HL

小型機

中型機（汎用機）

大型機

超大型機・Concept Laser ・Fraunhofer ILT ・Daimler

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材料開発の動向 ■ 各種積層造形材の機械的性質

材料引張強さ(MPa)

0.2%耐力(MPa)

伸び(%) 硬さ

Ti ＞290 ＞180 ＞20 -

Ti6Al4V 960 815 10-18 37HRC

Ti6Al7Nb 1185 1100 11-18 39HRC

316L 625 525 - 273HV

H13 1730 - - 54HRC

Al12Si 409 211 5 105HB

CoCr(F75) 1050 835 11-14 35HRC

Inconel718 1200 950 24 -

表1 カタログに見る各種材料の機械的性質（SLM Solutions社カタログより）

・金型用マルエージング鋼M2合金，工具鋼H13合金，生体材料用コバルトクロム合金，耐熱・耐食用インコネル合金，チタン合金，アルミニウム合金などへの展開・将来的には、セラミックス、傾斜材料等へ 7


■ 粉末床溶融結合法（レーザ焼結・溶融） • 間接積層法（樹脂コーティング粉末あるいは添加した樹脂の溶融接合）３D systems • 直接積層法 EOS(Electro Optical Systems), Concept Laser, SLM Solutions, Phoenix, Renishaw・・・

積層造形技術

冷却水管

航空機部品（Concept Laser）

・高密度・高強度品の製造が可能・三次元複雑形状品の製作が可能

燃焼チャンバ（IN718）maxΦ248mm（EOS）

熱交換機試作品（AlSi10Mg）

薄肉・軽量化の例

CAE応用例

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■ 航空宇宙関連 • GE Aviation

• 航空機部品 Airbus A３８０エンジンカバー用ドアヒンジ

先進活用事例１

Ti64(EOS) 試作品（ステンレス鋼）(EOS)

LEAP engine

燃料噴射装置（CoCrMo）

GE Aviation expects to chop off about 25 percent of the total 3D printing time of metallic production components for its LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion) Turbofan engine, using in-process inspection. (Source: GE Aviation)

タービンブレード

NASAロケットエンジンノズル（http://www.researchcareer.com.au/）

軽量化の例

一体化の例

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http://www.researchcareer.com.au/


■ 自動車関連等

先進活用事例２

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■ インプラント関連 • 生体用インプラント（EOS)

先進事例３

脊椎固定用インプラント

膝関節用インプラント

頭蓋骨インプラント人工股関節用インプラント

人工股関節用インプラント歯科用クラウン

表面組織制御の例

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■ 粉末床溶融結合（粉末積層）法（電子ビーム溶融：EBM（Electron Beam Melting)）

• ARCAM

積層造形技術

・高密度・高強度材料の製造が可能・高真空中での造形のため、チタン材料等生体材料の製造に有利・レーザビームより高速度造形が可能

インプラント

【材料】チタン及びチタン合金、 Co-Cr合金


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■ 指向性エネルギー堆積法（DMP（Direct Metal Deposition））

• Fraunhofer ILT,（Kittel）

積層造形技術

・多色材料の製造が可能・レーザビームより高速度造形が可能・レーザクラッディングが可能

LMD Setup / Equipment : ・ ILT Coaxial & 3-Jet-Nozzle ・10 kW Yb:YAG Disc Laser ・Custom designed shielding gas device

（http://www.pomgroup.com）

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http://www.stratasys.com/

http://www.stratasys.com/


■ 指向性エネルギー堆積法（DMP（Direct Metal Deposition））

• Sandia National Laboratories Laser Engineered Net Shaping™（LENS®）

積層造形技術

（http://www.sandia.gov）


金型

LENS® プロセス

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今後の応用展開 ■ Applications arrays divide and focus consequently on different quality

issues and standards

（Prof. LevyのISFA2012での講演より） 15

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