資料 3 2013/10/28( 於 : 経済産業省 ) 新ものづくり研究会 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
積層造形技術の歴史 はじめに 小玉 ( 名古屋市工研 ) テキサス大学オースティン校 Prof. Beaman Prof. Bourell 世界初の金属レーザ積層造形装置 (DTM 社 1992) (J.J. Beaman, et al., Solid Freeform Fabrication, Kluwer Academic Publishers,(1997)) 1.5 KW CO 2 レーザ 1
はじめに - 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* Fig. National Testbed Center Concept* * D.L. Bourell, M.C. Leu and D.W. Rosen, Roadmap for Additive Manufacturing 2009 2
積層造形技術の現状 はじめに (Gartner Hype cycle 2013) 3
積層造形技術 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) Binder Jetting Category Material Jetting Powder Bed Fusion Directed Energy Deposition Sheet Lamination Vat Photopolymerization Material Extrusion Additive manufacturing Categories As defined by ASTM F42 Committee Description Liquid bonding agent selectively deposited to join powder Droplets of build materials selectively deposited Thermal energy selectively fused regions of powder bed Focused thermal energy melts materials as deposited Sheet of material bonded together Liquid photopolymer selectively cured by light activation Material selectively dispended through nozzle or orifice 4
装置開発の動向 現状 ( 主な金属 3D プリンタの仕様 ) 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 (cm 3 /h) 20 70 2~20 - 造形サイズ (mm) 250x250x325 500x280x325 250x250x280 250x250x300 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 cm 3 /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 ) 5
装置開発の動向 1000 Concept Laser X line 1000R 750 500 LUMEX Advance-25 大型機 超大型機 Concept Laser Fraunhofer ILT Daimler 250 小型機 0 SLM280HL 中型機 ( 汎用機 ) EOS M280 Concept Laser M2 SLM500HL (400Wx2) 25 50 75 造形速度 (cm 3 /h) 100 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 6
材料開発の動向 各種積層造形材の機械的性質 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 ) 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 - 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 航空機部品 (Concept Laser) CAE 応用例 冷却水管 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 薄肉 軽量化の例燃焼チャンバ (IN718) maxφ248mm(eos) 熱交換機試作品 (AlSi10Mg) 8
先進活用事例 1 航空宇宙関連 GE Aviation LEAP engine 一体化の例 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) 航空機部品 タービンブレード 燃料噴射装置 (CoCrMo) Airbus A380 エンジンカバー用ドアヒンジ 軽量化の例 Ti64(EOS) 試作品 ( ステンレス鋼 )(EOS) NASA ロケットエンジンノズル (http://www.researchcareer.com.au/) 9
自動車関連等 先進活用事例 2 10
インプラント関連 生体用インプラント (EOS) 先進事例 3 人工股関節用インプラント 表面組織制御の例 脊椎固定用インプラント 頭蓋骨インプラント 人工股関節用インプラント 膝関節用インプラント 歯科用クラウン 11
積層造形技術 粉末床溶融結合 ( 粉末積層 ) 法 ( 電子ビーム溶融 :EBM(Electron Beam Melting)) ARCAM インプラント タービンブレード 材料 チタン及びチタン合金 Co-Cr 合金 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 12
積層造形技術 指向性エネルギー堆積法 (DMP(Direct Metal Deposition)) Fraunhofer ILT,(Kittel) LMD Setup / Equipment : ILT Coaxial & 3-Jet-Nozzle 10 kw Yb:YAG Disc Laser Custom designed shielding gas device (http://www.pomgroup.com) 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 13
積層造形技術 指向性エネルギー堆積法 (DMP(Direct Metal Deposition)) Sandia National Laboratories Laser Engineered Net Shaping (LENS ) LENS プロセス タービンブレード 金型 (http://www.sandia.gov) 14
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