３Ｄプリンティング技術

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　３次元積層造形（アディティブ・マニュファクチャリング＝ＡＭ）は、複雑形状を造形できること、多品種少量生産に柔軟に対応できること、数時間で試作品を製造できることから、開発リードタイムを短縮できるなどの特徴がある。家電、医療、自動車、航空・宇宙、建築、ヘルスケアといった多岐にわたる分野で応用が進んでおり、従来の主な用途であった試作から最終製品や量産部品の製造へと用途が広がっている。ここでは大阪大学接合科学研究所の塚本雅裕教授に、新たなマルチビーム方式とその特徴、宇宙におけるＡＭへの展開について解説してもらった。

日刊工業新聞2025年08月26日掲載

高度な金属積層造形システム技術の開発・実証 —宇宙ＡＭへの展開

【執筆】大阪大学接合科学研究所教授　塚本雅裕

　わが国が伝統的に強みを持つ鋳造、鍛造などの従来工法に比べ、金属のＡＭ技術は金属部品の軽量化、高機能化、カスタムメードおよびリードタイムの短縮が可能な「新たなモノづくり基盤技術」の一つとして期待されている。ＡＭは七つのカテゴリーに分けられる（図１）。レーザーなどの熱源を用いたＡＭは金属粉末床溶融結合（ＰＢＦ）、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）と呼ばれている。

高度な金属積層造形システム技術の開発・実証

　わが国のＡＭに関する大型プロジェクト（図２）として、新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）の「次世代素材等レーザー加工技術開発プロジェクト」が、２０１０年度にスタートした。本プロジェクトでは、国産ファイバーレーザーを搭載した雰囲気制御型のＰＢＦ装置が開発された。本装置によって、真空下および不活性ガスなど雰囲気下での金属のＡＭが可能となった。

　１３年の米国オバマ大統領の一般教書演説がきっかけとなり、いわゆる３Ｄプリンターブームが日本にやってくる。ドイツでは、国際展示会「ＥｕｒｏＭｏｌｄ」で、３Ｄプリンター（ＡＭ装置）の展示がなされていた。また１５年にＡＭをテーマにした新たな国際展示会「Ｆｏｒｍｎｅｘｔ」がドイツのフランクフルトで始まった。

　日本国内では、１４年度に大型プロジェクト「三次元造形技術を核としたものづくり革命プログラム（次世代型産業用３Ｄプリンター技術開発及び超精密三次元造形システム技術開発）」が始まった。低価格化も視野にいれた高速造形、大型造形を目標としたプロジェクトだった。同年度に始まった内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（ＳＩＰ）／革新的設計生産技術「高付加価値設計・製造を実現するレーザーコーティング技術の研究開発」（以下、ＳＩＰレーザーＡＭプロジェクト）では、高品質ＡＭを目標に、新方式であるマルチビーム方式のＤＥＤ（新方式ＤＥＤ）装置が開発された。

　新方式ＤＥＤヘッドは、ＳＩＰレーザーＡＭプロジェクト３年目の１６年に製品化された。東京ビッグサイトで開催された工作機械の国際展示会「ＪＩＭＴＯＦ２０１６」で、世界で初めて新方式ＤＥＤヘッドを搭載したハイブリッド複合工作機械が動態展示された。またＳＩＰレーザーＡＭプロジェクトでは、世界で初めて青色半導体レーザーを新方式ＤＥＤヘッドに導入した。

　青色半導体レーザーは、従来レーザー（近赤外線ファイバーレーザーや近赤外線半導体レーザー）に比べ純銅やその他の金属に対して吸収率が高いので、高効率なＡＭを可能とする。青色半導体レーザーの優位性がＳＩＰレーザーＡＭプロジェクトで示されたこともあり、ＮＥＤＯ「高輝度・高効率次世代レーザー技術開発」にて、「高輝度青色半導体レーザー及び加工技術の開発」が１６年度にスタートした。

　「純銅のＡＭ技術」を含む青色半導体レーザーの加工技術は、カーボンニュートラル（温室効果ガス排出量実質ゼロ）社会の実現に貢献する次世代電気自動車に多く使用される可能性のある高機能純銅部品の製造技術として、現在も注目されている。

　本プロジェクトと同時期にドイツの大型プロジェクトでも、青色半導体レーザーの開発が進められた。１８年１月に米国サンフランシスコで開催された国際展示会「Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｗｅｓｔ」では、ドイツのプロジェクトはポスターとレーザー筐体だけの展示だったのに対し、ＮＥＤＯのプロジェクトでは、出力１００ワットの青色半導体レーザーを搭載したＰＢＦ装置の動態展示を行った。青色半導体レーザーを用いると純銅のＡＭが容易になることが示された。

　また同年、東京ビッグサイトで開催された「ＪＩＭＴＯＦ２０１８」では、世界で初めて、出力１００ワットの青色半導体レーザーを３台有する新方式ＤＥＤヘッドを搭載したハイブリッド複合工作機械の動態展示を行った。

　前述した３Ｄプリンターブーム（１３—１４年）では、ＡＭ技術は革新的な製造技術として取り上げられたが、金属のＡＭ技術は試作品を造形するための技術レベルであった。これを製品・部品製造レベルまで引き上げるため、ＮＥＤＯは「経済安全保障重要技術育成プログラム（通称Ｋプログラム）」の一環で実施する研究開発として、「高度な金属積層造形システム技術の開発・実証（２４—２８年度）」を実施することとなった。

　本プログラムでは、造形技術、金属粉末、設計技術などの要素技術を一体的に開発し、統合型金属積層造形システムとして確立させるとともに、実機による実証を行い、品質保証の規格化、認証基準の策定などを行う。これにより、最適地であるオンサイトで高機能な部品を製造し、納期短縮を実現する生産プロセスの確立を目指している。

　大阪大学接合科学研究所グループの研究開発提案「高付加価値設計・製造を実現する統合型レーザー金属積層造形技術の研究開発」（以下、統合型レーザーＡＭプロジェクト）は、Ｋプログラムに採択された（図３）。委託先８機関、共同実施先９機関の１７機関（図４）で「統合型レーザーＡＭプロジェクト」を進めていく。

　１７機関に含まれる企業の多くは、図２に示した青色半導体レーザー接合加工共創コンソーシアムのメンバーである。ＮＥＤＯ、ＳＩＰの大型プロジェクト（産官学）の研究開発成果を本コンソーシアム（産産学）にて社会実装するための研究開発を続けたことによって、Ｋプログラムが目指す部品・部材を製造する場合の課題やそれらを解決するために必要な研究開発を明確にできた。このことが、「統合型レーザーＡＭプロジェクト」がＫプログラムに採択された大きな要因の一つと考えている。

新方式ＤＥＤ

　図５は左から溶射、従来方式ＤＥＤ、新方式ＤＥＤを示す。溶射では、飛行中の粉末は、加熱され溶融滴になる。溶融滴は、基板に到達し冷却固化され積層（皮膜形成）される。溶接プロセスではないので、接合強度は溶接に比べて弱い。従来方式のＤＥＤでは、基板表面に溶融池形成が必須となる。溶融池に粉末が飛び込むことで、溶接が生じる。

　新方式ＤＥＤでは、飛行中の粉末も溶融滴にし、基板表面には溶融層（極小化した溶融池）を形成することで、粉末と基板の高効率な溶接を実現するプロセスである。レーザーによって加熱される飛行中の粉末が、基板表面において、空間的に均一な温度分布になることが、新方式ＤＥＤのカギとなる。

　図６の左図に新方式ＤＥＤを実現するための粉末ビームと２本のレーザービームの配置を示した。本配置により、粉末が基板に到達した時の温度分布が空間的に均一になることがわかる。

　図６の右上図に新方式ＤＥＤヘッドとノズル先端から出射される２本のレーザービームを示した。図６の右下図は、新方式ＤＥＤによるギアの補修（製造）動画から得た写真である。本動画は、新方式ＤＥＤによって、ギア補修（製造）などの金属の精密３Ｄ造形が可能になることを示している。

宇宙ＡＭ―新方式ＤＥＤ　宇宙へ

　宇宙空間でのミッションに必要な部品を地球で製造して運搬するのではなく、現地で調達・製造する技術が注目されている。ＡＭは宇宙での現地生産に対応できる技術として、期待が寄せられている。

　軌道上、宇宙ステーションで、ＰＢＦやＤＥＤのＡＭ技術によって金属の３Ｄ造形を行う場合は、いくつかの課題を解決する必要がある。課題の一つとして無重力あるいは低重力によって表面張力が支配的となって誘発される金属の溶融池の不安定性があげられる。

　本課題を解決する方法として、溶融池の極小化が不安定性抑制に作用すると考えている。つまり「溶融池」を「溶融層」にすることによって、瞬時に溶融凝固する高効率ＡＭが軌道上で実現すると予想される。これは、「溶融層」形成プロセスを有する新方式ＤＥＤが、軌道上でのＡＭ、宇宙ＡＭに最も適したＡＭ技術であることを示唆している。

　これまでわが国において、金属ＡＭ技術の研究開発のために行われてきた大型プロジェクトとともに、２４年度から開始されたＫプログラム「高度な金属積層造形システム技術の開発・実証（２４—２８年度）」の統合型レーザーＡＭプロジェクトについて紹介した。高度なＡＭシステム技術の開発・実証は、わが国のモノづくりおよび人類の発展に大きく貢献すると考えられる。

　また、ＮＥＤＯ、ＳＩＰの大型プロジェクトの成果である「新方式ＤＥＤ」について、本方式の優位性とともに宇宙においても有望なＡＭ技術であることを示した。「新方式ＤＥＤ」の宇宙ＡＭへの展開に期待したい。