金属の付加製造技術（Additive Manufacturing: AM）は、3D-CADデータを基に金属粉末から三次元形状を直接造形できる先進加工技術である。中でもレーザー粉末床溶融結合法（Powder Bed Fusion: PBF）は、レーザーを熱源として粉末を溶融・凝固させながら層状に積層することで、高い設計自由度と複雑形状の造形を実現する。しかし、PBF造形材は鋳造材や切削材と比較して機械的特性が低く、内部空隙や層間剝離による相対密度低下、熱歪みなどの課題が残されている。従来用いられてきた1060 nm帯シングルモードファイバーレーザーは高い集光性を有する一方、ガウシアンビームであるため、均一な入熱を阻害して欠陥発生の要因となってきた。そこで本研究開発では、ビームプロファイル制御など新たなレーザー制御技術を導入し、高精度粉末溶融制御と造形品質向上を目指す。さらに、放射光観察やJRR-3による内部評価、第一原理計算、機械学習解析、CIP-CUP法シミュレーションを統合することで、造形過程の本質的理解を深め、高精度粉末溶融制御技術の確立と最適造形条件の導出を目指す。

先進PBFグループでは、安価な設備を用いて造形過程で生じる現象を把握しながら高精度に造形できる手法の社会実装に向け、FMCW方式や格子パターン投影法による粉末床・造形物の計測システム、AEセンサやX線CTを用いた造形物の欠陥検出システムを開発するとともに、造形条件が造形物の変形や空隙形成に及ぼす影響を体系的に整理し、造形条件のプロセスウインドウを明確化します。そして、得られた結果をガス排出機構が内蔵された金型設計へ応用し、高精度・欠陥レス造形手法の確立へと導きます。また、これまで使用されていない水アトマイズ法で造粒した粉末による造形手法の確立、機械学習やトポロジー最適化を用いたDfAMの確立も併せて実現します。

直径が1mm以上の太いワイヤーを使用するこれまでのワイヤーDED装置では、精密で微細な造形や補修が課題です。そこで、青色半導体レーザーを用いたマルチビーム型精密ワイヤーDED技術を開発し、直径が0.5mm以下の細径ワイヤーを溶融してビードを形成し、高精度に造形することを目指します。さらに、造形中の温度などをリアルタイムにモニタリングし、レーザー出力などを自動で制御することによって造形品質の安定化を図ります。また、PBFとの組み合わせや、粉体との組み合わせによってマルチマテリアル造形を実現します。加えて、レーザー出力の自動設定や造形中の温度をシミュレーション解析する機能を実装したDED用CAMを開発し、造形の信頼性向上を目指します。