2017年1月18日（水）大阪大学大学院工学研究科

異方性カスタム設計・ＡＭ研究開発センター研究総括 玉岡 秀房

金属３Dプリンタの実践活用に向けて

第31回 大阪３Ｄプリンタービジネス研究会

１．金属３Ｄプリンタの選定

２．導入・実践活用に向けて

３．参考

アジェンダ

金属３Dプリンタの三要素

装置

ソフト

材料

・熱源方式・材料供給・工法

・データ加工・熱源走査・パワーコントロール

・形状・大きさ・成分

１）装置 出典：大阪府商工労働部 松下 隆様

①Additive Manufacturingの分類

• Low precision• Large geometry size

• Low precision• Large geometry size

• High precision• Small geometry size Arcam EBM® EOS DMLS®

Sciaky EBFFF®

MTT SLM®

POM DMD®

Concept LaserDCM®

（Powder）

Powder bedElectron Beam

Fabrisonic UAM®

Laser Beam

Deposition

Powder bed

Electric arc UltrasonicWelding

(Foil)（Wire）

Welding

Optomec LENS®

EWI Arc Welding

Deposition（Wire）

• High precision• Low productivity

12

3 4

5 6

１）装置

②金属３Dプリンタの種類

１）装置

③複合加工機（パウダーベット・フュージョン）

LUMEX Avance-25 株式会社 松浦機械製作所

OPM２５０L 株式会社 ソディック

出典： 株式会社 ソディック ホームページより

⑤

１）装置

INTEGREX i-400AM ヤマザキマザック株式会社

出典： DMG森精機株式会社 ホームページより

LASERTEC 65 ３D DMG森精機株式会社

④複合加工機（レーザー・メタル・デポジション）

⑥

１）装置

⑤工法による分類

Ⅱ．ディレクテッド・エナジー・ディポジション※１（指向性エネルギー堆積法）

出典： メーカーおよび代理店 ホームページより

電子ビーム アーク溶接 レーザー

電子ビーム レーザー

①

② ③

④

※１ ディレクテッド・エナジー・ディポジション（DED：Directed Energy Deposition）は、ダイレクト・メタル・デポジション（DMP）などと呼ばれることもある

Ⅰ．パウダーベット・フュージョン（粉末床溶融結合法）

１）装置

⑥工法による特徴（レーザー）

※３ ヘッド駆動方法（ロボット）による ※４ 既存部品上の造形も可能であるが、制約あり

※１

※３

※３※４

出典： ２０１６年９月末 インターネット情報他

※２

※１ SLM：Selective Laser Melting （セレクティブ・レーザー・メルティング） ※２ LMD：Laser Metal Deposition（レーザー・メタル・デポジション）

パウダーベット方式（SLM） デポジション方式（LMD）

材 料 一種 複数種・混合可

２次元 ３次元可

ベースプレート基準 任意

○ △

積層方向

積層開始位置

精 度

１）装置

⑦スペック（パウダーベット方式）

国 ドイツ ドイツ ドイツ フランス スウェーデン

熱源

種類 レーザー レーザー レーザー レーザー 電子ビーム

熱量4×400W/1000W

4×400W/2×400W＋1000W 2×1000W 500W 3000W

速度 7m/s 10m/s 7m/s － 8000m/s

最大造形寸法 400×400×400

500×280×325

800×400×500

250×250×330

Φ350×H380

最大造形速度 （105cm3） 105cm3 100cm3 － （80cm3）

特徴精度／解像度

日本のサービス体制マルチレーザー

オープンソフトウェアマルチレーザー

レーザー分割照射マルチレーザー

レイヤリングシステム 予熱（焼結）

（単位：mm）

M400 SLM 500 X Line 2000R PXL［ProX DMP 300］

Arcam Q20

［３ＤSYSTEMS］

代表機種（大型）

［GE］［GE］

出典： 各メーカー、代理店のホームページより

EOS SLMSolutions

ConceptLaser

PhenixSystems Aｒcam AB

（ｲｵｽ） （ｴｽｴﾙｴﾑ・ｿﾘｭｰｼｮﾝｽﾞ） （ｺﾝｾﾌﾟﾄ･ﾚｰｻﾞｰ） （ﾌｪﾆｯｸｽ・ｼｽﾃﾑｽﾞ） （ｱｰｶﾑ）

［GE］

２）ソフトウエア

①機能Ⅰ

出典： EOS ホームページより

２）ソフトウエア

①機能Ⅱ

出典： EOS ホームページより

２）ソフトウエア

①機能Ⅲ

出典： EOS ホームページより

２）ソフトウエア

①機能Ⅳ

出典： EOS ホームページより

２）ソフトウエア

①機能Ⅴ

出典： EOS ホームページより

２）ソフトウエア

②構成

走査 位相 熱量

ImportModule

標準機能 標準機能SinterModule

SLIFIX SLICER SLICONVSG+ Module

EOS RP-Tools

データ修正スライスコア

スライスサポート

Magics

ファイルインポート

データ修正

EOS PRINT

CAM/熱源制御

データ改善 パーツ配置 サポート作成

走査 位相 熱量

SGModule

（光造形）

ＶｏｌｕｍｅSG

TreeSupport

EOS PRINT

ファイルインポート

データ修正 データ改善 パーツ配置

SG+ Module

ImportModule

標準機能

Magics　19

標準

CAM/熱源制御

サポート作成 最適化 データ修正スライスコア

スライスサポート

Slice BasedStructures Module

StructuresModule

（標準構造形状）

SinterModule

標準機能

出典： EOSホームページおよびNTDSへのヒアリングにより作成

２）_２ レーザー制御

①積層造形のレーザー照射

昇降装置

パウダー

造形品

【３Dモデル】 【積層造形】【スライスデータ】

②レーザーの走査制御

○レーザー速度安定の工夫・軌道・速度・切替・照射

OFF OFFON

L

H

【NG】 【改善策】

※小さな照射エリアとして考えた場合

○レーザーのパラメータ例・出力・速度・ピッチ・方向

E ＝P

V・ｄ・ｔ（体積エネルギー密度）

（速度・走査間隔・積層厚）

（レーザー出力）

２）_２ レーザー制御

第n層

・・・

第３層第２層

第４n層

・・・

第３層第２層

③走査角度による均一化－１

【９０度】

【６７度】

第１層

第１層

出典： NTDSへのヒアリングにより作成（EOSの装置）

③走査角度による均一化－２

２）_２ レーザー制御

第２n層

９０°

・・・

第３層

９０°

第２層

９０°

③走査角度による均一化－３

【９０度】

出典： 松浦機械製作所へのヒアリングにより作成

第１層

２）_２ レーザー制御

④照射エリア分けによる応力集中の低減（イメージ）

1

３

２

５４

１ ５ ２ ４３

⑤照射エリア角度による応力集中の低減（イメージ）

４５°

２）_２ レーザー制御

造形形状

⑤輪郭抽出による境界の応力集中低減STEP1 STEP２外周のみ照射

内側は設定通り外周は設定より弱い

レーザー出力

内側のみ照射

２）_２ レーザー制御

３）パウダー

①製造工程

45μm 5μm120μm SLM

EBM45～15（5）

105～50（25）

150～50

LMD

②粒径と用途

アトマイズ

粒径選別

ブレンド

検

査

出典：愛知産業株式会社 第2回金属積層造形セミナー（2015年9月2日）より、引用してアレンジ

３）パウダー

③検査内容

物性

Chemistry

サイズ

Size

形状

Shape

密度

Density

流動性

Flow

④再利用○フィルターを通して選別を実施

・不純物の混入・サイズ、形状の変化・添加物の割合の変化・流動性の変化 ｅｔｃ⇒造形条件の変化

出典：愛知産業株式会社 第2回金属積層造形セミナー（2015年9月2日）より、引用してアレンジ

１．金属３Ｄプリンタの選定

２．導入・実践活用に向けて

３．参考

アジェンダ

６）金属３Dプリンタの導入には

３Dプリンタ

ﾌｨﾙﾀｰ

ﾌｨﾙﾀｰ

ﾁﾗｰ

ﾌﾞﾗｽﾄ ﾌﾞﾗｽﾄ

ｺﾝﾌﾟﾚｯｻｰ

ｸﾘｰﾝｴｱｰ

放電カッター

研磨

掃除機

Ar Ar Ar

Ar

Ar

ﾘﾌﾀｰ

ｺﾝﾌﾟﾚｯｻｰ

①設備系・周辺装置・ユーティリティ・加工機

②消耗品・材料・装置消耗品・間接材料

③保守・管理・設備保守費用・防爆対策・材料廃棄

７）金属３Dプリンタの活用には

①前工程（Ⅰ）形状の具体化

・３Dモデリングツール（３D-CAD、３DCG）（Ⅱ）形状の最適化（軽量化）

・ラティス構造付与・トポロジー最適化

（Ⅲ）データの修正・STLの欠陥の補修・STLの軽量化

（Ⅳ）部品の配置・サポートの配置・造形の配置（角度、個数）

（Ⅴ）レーザーパラメータ（レシピ）

７）金属３Dプリンタの活用には

②後工程（Ⅰ）パウダーの除去

・ブラストなど（Ⅱ）製品の取り出し

・ベースプレートからのカット・サポートのカット

（Ⅲ）応力除去・熱処理

（Ⅳ）改質（強度、ポア除去）・ＨＩＰ処理

（Ⅴ）表面粗さ、精度・切削、研磨

１．金属３Ｄプリンタの選定

２．導入・実践活用に向けて

３．参考

アジェンダ

ＨＩＰ処理について

※：異方性カスタムカスタム設計・ＡＭ研究開発センター 「２０１６年度 ＨＩＰ勉強会」（講師：藤川特任教授、実施日：5月10日、24日、6月28日）資料より抜粋

高圧力技術

○固体圧（１ＧＰａ以上）ダイヤモンド、ｃ－BN合成、焼結）

○液圧（100MPa以上ー2GPa）動力源（油圧: 5-75MPa)粉末成形（CIP： 10-500MPa)食品加工（50-600MPa）

○ガス圧（HIP： 1MPaー1GPa）

ＨＩＰ処理について

※：異方性カスタムカスタム設計・ＡＭ研究開発センター 「２０１６年度 ＨＩＰ勉強会」（講師：藤川特任教授、実施日：5月10日、24日、6月28日）資料より抜粋

静水圧加圧と一軸加圧

静水圧（ガス圧，液圧）一軸加圧

型内面の摩擦力

ＨＩＰ処理について

※：異方性カスタムカスタム設計・ＡＭ研究開発センター 「２０１６年度 ＨＩＰ勉強会」（講師：藤川特任教授、実施日：5月10日、24日、6月28日）資料より抜粋

静水圧と等方加圧

用語〇静水圧＝Hydrostatic

〇等方圧（等方加圧）＝Isostatic

パスカルの原理

どこでも同じ大きさ，表面に垂直。

→ 1)寸法に依存しない・均質

2)複数個でも個体差がでない

HIP処理技術○高温下で，100-200MPaの

高圧ガス圧力を作用させて，焼結現象の促進，気孔の圧潰，接合を行うプロセス。

○高密度化（無気孔）→強度改善（静的強度，疲労強度，クリープ強度，延性）

ＨＩＰ処理について

※：異方性カスタムカスタム設計・ＡＭ研究開発センター 「２０１６年度 ＨＩＰ勉強会」（講師：藤川特任教授、実施日：5月10日、24日、6月28日）資料より抜粋

出典：「3次元ゲルプリントの拓く未来の医食」（山形大学 教授 古川 英光 殿）より

ＳＩＰにおける３Ｄプリンタ研究開発（例）①

出典：横浜国立大学 丸尾研究室 http://www.geocities.jp/nanomicrosystems/research_j.html 他（教授 丸尾 昭二 殿）

３次元マイクロ・ナノ光造形法の開発

レーザー光を用いて、光硬化性樹脂を硬化させ、サブミクロンの加工分解能で微小立体構造を形成する３次元マイクロ・ナノ加工技術を開発しています。各種造形装置と光硬化性樹脂を利用して、様々な応用デバイスの作製が可能です。

※ 技術相談受付：〒240-8501横浜市保土ヶ谷区常盤台79-5横浜国立大学 共同研究推進センター

TEL : 045-339-4447, FAX ： 045-339-4387 e-mail ：sangaku.sangaku@ynu.ac.jp

❏横浜国立大学大学院超３D造形技術プラットフォーム研究拠点 http://super-3dfab.ynu.ac.jp「超３D造形ものづくりネットワーク」 http://super-3dfab.ynu.ac.jp/super-3d/

ＳＩＰにおける３Ｄプリンタの研究開発（例）②

リンク集

【異方性カスタム設計・ＡＭ研究開発センター】http://www.mat.eng.osaka-u.ac.jp/sipk/

【大阪府立産業技術総合研究所】http://tri-osaka.jp/http://tri-osaka.jp/fields/kakouseikei/#bunya

【TRAFAM】（技術研究組合次世代3D積層造形技術総合開発機構）https://trafam.or.jp/top/about3dprinter/

【みずほ情報総研レポート】（みずほ情報総研株式会社）https://www.mizuho-ir.co.jp/publication/report/mhir/index.htmlhttps://www.mizuho-ir.co.jp/publication/report/2015/pdf/mhir09_additivemanufacturing.pdf例