「2019年度天田財団助成式典」招待講演
金属3Dプリンタによる高機能金型やインプラント製品の成形技術
鳥取大学 大学院工学研究科 機械宇宙工学専攻 陳中春 教授
複雑な熱処理影響を受ける3D造形
鳥取大学大学院工学研究科・陳中春教授
本研究では金属3Dプリンタを用い、マルエージング鋼の緻密な金型の造形、チタン合金の多孔質な人工股関節インプラントの造形を行った。また、積層造形で加工した多孔質体と緻密体との拡散接合、積層造形による多孔質部と緻密体の一体造形を行った。
3D造形は、非常に複雑な熱影響をともなう。原料である金属粉末はその融点を超えて用いられ、造形した上にさらに粉末を敷いて造形する際は、その下層にも熱影響を与えている。また造形後も、溶体化処理や時効処理といった熱処理を行うため、熱の影響を受け続けている。
最終的に求める機械的性質・機能性を実現するためには、形状だけでなく、材質の制御が重要になる。特に加工の各パラメーターの影響を理解することが重要だ。
マルエージング鋼金型の造形
マルエージング鋼の3D造形に使う原料は、粒径20～45μmの球形粉末。造形パラメーターとしては、レーザパワー、走査速度、ピッチ、スポット径などがある。
本研究では造形パラメーターの影響を表すプロセスマップを作成し、最適造形範囲を導き出した。特にレーザパワー300W、走査速度700㎜/sec、ピッチ0.12㎜、スポット径0.2㎜、エネルギー密度71.43J/㎜3、オーバーラップ率40%の条件で造形したマルエージング鋼が最も高い相対密度（99.8%）を示し、表面粗さも比較的低い値を示した。
レーザパワーが小さすぎても大きすぎても密度は低くなる。スポット径とピッチの影響を反映したオーバーラップ率の変化によっても造形試料の相対密度は変化する。オーバーラップ率が高くなり、より多くのエネルギーが与えられると、温度が高くなり、かえって密度が低くなる。金属の飛散（スパッタ）やボーリング現象などの異常溶融が生じるためだ。
エネルギー密度が低いと一部溶解していない粉末も存在し、相対密度は低くなる。エネルギー密度が高くても、多くの球状空孔が形成され、相対密度も比較的低い値を示す。
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