コストは低く信頼性は高く　高速・高精度の電子ビーム金属3Dプリンター

市場要望に合わせ「パウダーベッド方式」の造形方法を採用

金属3Dプリンターの代表的な造形方法には「パウダーベッド方式」と「デポジション方式」の二つの方式があります。

「パウダーベッド方式」は、原材料である金属粉末を1層敷き詰め、熱源となるレーザーや電子ビームで造形する部分を溶融して積み重ねてゆき（積層造形）、積み重なった塊から不要な粉末を取り除いて、完成品（造形物）を取り出します（詳細は「なるほど基礎知識」参照）（写真1）。

一方「デポジション方式」は、金属粉末を搬送ガスでノズルから噴射すると同時に一般的にはレーザーで溶融して目的の場所に積層していきます。日本電子が研究開発を始める前の2013年に市場調査を実施した結果、電子ビーム方式の市場の9割以上が「パウダーベッド方式」を要望していることが判明しました。これを受けて日本電子は、「パウダーベッド方式」による実用化研究開発を選択しました。

写真1　1層分だけパウダーベッドに敷き詰められた金属粉末材料。直径260mm

厄介なスモークをヘリウムフリーで回避するシールドを開発

電子ビーム3Dプリンターの長年の課題は、電子ビームと金属粉末が起こす「スモーク現象」の克服でした。海外の既製品ではそれを避けるために、積層工程では高価なヘリウムガスを使用しなければなりませんでした。また、造形物1個を作るたびに、電子ビームを放出する素子である「カソード」の交換が必要でした。

「スモーク現象」とは、電子ビームの照射で金属粉末が帯電し、粉末同士が反発して飛散してしまう現象を言います。「スモーク現象」が生じると、うまく積層ができずに造形物が作れないだけでなく、カソードなどの素子にもダメージを与えてしまいます。

その解決策として金属粉末の帯電を抑えるため、金属粉末に予備加熱を行う方法があります。これは金属粉末の温度上昇によって粉末同士が軽く結合する仮焼結状態になることで電気抵抗が低下する現象を利用して、「スモーク現象」の発生を抑える方法です。既存の海外製品では「スモーク現象」を抑えるために、帯電抑制効果のあるヘリウムガスをチャンバー内に導入する方式を採用していました。

しかし、ヘリウムガス方式は海外メーカーの特許技術で、日本電子では採用しにくい状況でした。また、世界的な消費量増加などもあり、ヘリウムガスを使うこと自体が高コストの要因となる可能性もありました。

「そこで、ヘリウムガスを使わずにスモーク現象を回避することを考え、金属粉末の飛散などを物理的に防ぐ仕組みを開発することにしました」と日本電子株式会社3D積層造形プロジェクト技術グループ専任理事の北村真一さんは話します。「こうして『e-Shield』の開発に至りました」（北村さん）

北村さんの言う「e-Shield」とは、造形領域より外側のサラサラした粉末が散乱電子によって帯電するのを防ぎつつ、帯電した金属粉末が飛散して散乱電子が加わり、その帯電領域でさらなる「スモーク現象」が発生するのも防ぐ、ステンレス製遮蔽板のことです。この仕組みを加えることで、ヘリウムガスを使わずとも「スモーク現象」を回避できるようになりました。また、「e-Shield」の導入で予備加熱の温度も低くできました（写真2）。

写真2　チャンバー内に、積層造形スペースを囲うように設置された「e-Shield」

日本電子には、半導体集積回路などの製造工程でシリコン基板上に回路パターンを作るためのフォトマスク製造用電子ビーム装置（マスクライター）の分野で帯電抑制技術の開発経験がありました。それが活かされた形ですが、「安定的にシールドを機能させるという点では、かなり試行錯誤が必要でした」と北村さんは言います。

田澤さんは、「予備加熱により造形物周囲の金属粉末が仮焼結しますが、金属粉末の再利用を考えると仮焼結を最小限に抑えたかったのです。『e-Shield』は、仮焼結を最小限に抑えつつ、スモークを避けるための、我々の最善策でした」と加えます。

「e-Shield」の実装で、ヘリウムガスを使わず「スモーク現象」を回避させ、仮焼結を最小限化し、カソードへのダメージを低減できました。これらにより、装置を安定的に使える高い信頼性や、ヘリウムが不要でカソードの交換周期を長くできることによる低コスト化を実現できました（写真3）。

写真3　仮焼結体で覆われた造形物（左）。仮焼結体を除去していくと、次第に完成品がその姿を現してくる（中央と右）

高出力・高精度な電子ビーム技術を追求し「世界最高」を実現

大きな造形物を高精度で作製するという造形技術面でもブレークスルーがありました。大きな造形物を作るには、高出力の電子ビームが必要となります。低出力の電子ビームでは、積層に時間がかかり、加熱しているそばから必要な熱が失われてしまい、大きな造形物を作るには不向きだからです。

とはいえ、電子ビームを高出力にすればするほど、形状を高精度に作ることが難しくなります。このトレードオフの状況に対し、日本電子株式会社3D積層造形プロジェクト技術グループ長の佐藤崇さんは、「高出力の電子ビームをダイナミックに補正するための技術と、そのためにビームを正確に測定する技術を追求しました」と話します。

電子顕微鏡のトップメーカーとして知られる日本電子ですが、電子顕微鏡で扱う電子ビームの出力はミリワットレベル（mW）であるのに対して、今回の金属3Dプリンターの研究開発での実用化目標出力は6kWにもなり、100万倍レベルの出力になります（写真4）。

この高出力6kWの電子ビームを、いかに高精度に制御していくのか、そこで佐藤さんらが追求したのが、「補正」の技術と、補正のための「測定」の技術です。「これらの実現には苦労がありましたが、プロジェクトでの大きな成果の一つです」と佐藤さんは言います。

写真4　「JAM-5200EBM」の電子銃

電子ビームは、直径250mmのパウダーベッドのさまざまな位置に照射されていきます。このとき電子ビームはビーム偏向に伴う像面湾曲と非点収差の影響を受け、照射する位置によってビームの焦点のボケやビームの形状に歪みが生じます。この状態で積層造形させていくと、造形物も不均一な溶融状態となってしまうため、電子ビームを照射しつつビームの焦点や形状に補正をかけていかなければなりません（写真5）。

写真5　「JAM-5200EBM」の電子銃ビーム照射口

とはいえ、補正をかけるにも、どの程度補正をかければよいのか、その手がかりがなければ、正確な補正ができず、結局は造形物に内部欠陥ができてしまいます。そのため電子ビームの状態をきちんと計測する技術も必要となります（図1）。

図1　電子ビーム自動調整機能の無しの場合（左）と、有りの場合（右）では、ビームの先端形状が異なってくる　（イメージ画像）　（資料提供：日本電子）

佐藤さんらは、電子顕微鏡や半導体製造用電子ビーム描画装置で培った技術により、金属3Dプリンター向けに計測・補正の技術を高めていきました。「他社が文献で示している数値を見るかぎりは、我々の計測・補正の技術のほうが直接計測する点で優れていると思います」（佐藤さん）

世界最高レベルの製品を実用化

2014年度から2018年度までの足かけ5年間のプロジェクトで日本電子が開発したのが、パウダーベッド方式の電子ビーム金属3Dプリンター「JAM-5200EBM」です（写真6）。電子ビームを放出する素子「カソード」の寿命1,500時間以上、また既存装置で必須だったヘリウムガスが不要といった特長があり、信頼性の向上やコスト削減を実現しました。造形の性能面では、直径250mm×高さ400mmの大型造形物を作製できます（写真7）。

写真6　日本電子が開発した電子ビーム金属3Dプリンター「JAM-5200EBM」

写真7　造形品のサンプル（左）。中央の網球状の造形物には同様の造形物が内包されている（右）。造形物の中に別の造形物を一度の工程で作製できることも、この3Dプリンターならではの特長

日本電子は自社で培ってきた電子ビーム技術などを活用するとともに、自社が持っていなかった新たな技術を他社との連携で構築することで、この電子ビーム金属3Dプリンターを実用化しました。

眞部さんは、「6kWの電子ビーム出力で、造形エリア全面のビーム径誤差が50μm以下の精度というのは世界最高レベルと自負しています。この装置は、金属を溶融するための高出力な電子ビームを用いますが、通常はこのような高出力電子ビームを計測しようとすると、測定系が損傷してしまい正確なビーム計測は困難です。しかし、佐藤は高出力電子ビームでも正確に安定してビーム計測できる他社にはない技術を開発しました。補正という点でも、他社はレンズの構成を考えて工夫を施していますが、佐藤は独自の計算ソフトウェアも駆使しました。それにより世界最高レベルを実現できているのです」と佐藤さんの努力を強調します。

「ほぼ集中研方式」で未踏技術を確立し、ソリューションを構築

このように、日本電子が半導体関連装置や電子顕微鏡で培ってきた技術を活用できた部分はあるものの、当然ながら電子ビーム金属3Dプリンターの開発で新たに必要となった技術もありました。そうした新たな技術を得るために大きな助けとなったのが、プロジェクトに参画した大学や企業などとの連携でした。

眞部さんは、「よくあるプロジェクト連携方式は、参画メンバーが別々に技術開発をして、それを統合させるものです。一方、今回は、『ほぼ集中研方式』といってよいぐらい参画メンバーが大学、企業の垣根を越えてチーム一体で取り組み、成果を上げました」と振り返ります。

「集中研方式」とは、プロジェクト参画メンバーの研究開発者らが、一つの場所に集まって研究開発を行う方式のことです。本プロジェクトでは、電子ビーム方式の金属3Dプリンターの開発を進める日本電子などのTRAFAM会員企業がNEDOのマネジメントのもとでチームを結成し、連携を図りました（図2）。

図2　TRAFAM会員企業で構成された、NEDOプロジェクトの研究開発体制

日本電子にとって、電子ビームで金属粉末を溶かし、緻密な造形物を製作する技術の開発は初挑戦でした。そこで佐藤さんらは、参画メンバーによる月に一度の定例会で、サブプロジェクトリーダーの千葉教授から、金属粉末が溶けて液状化したメルトプール（溶融池）に関する理論の講義を受けたり、千葉研究室にある海外既存製品でのメルトプールの形成を撮影してもらったりして、自分たちの装置での最適な溶かし方を追求していきました。

また、企業との連携では、「金属粉末メーカーから金属粉末の性質などに関する知見を得ることができました。電子ビームで金属粉末をいかに溶かして固め、積層造形の質を高めるかという、日本電子にとっての新たな技術開発に生かすことができました」と佐藤さんは説明します（写真8）。

写真8　「JAM-5200EBM」に使用されている金属粉末
粉末種類(左)　電子ビーム金属3Dプリンターの金属粉末収納部(中)　材料容器に入った金属粉末材料(右)

田澤さんは、「金属粉末を高温に晒しても粒子同士が固まらず、1粒子ずつ分散するような粉末供給技術を、金属粉末メーカーの知見も生かして確立できました。通常はクローズドな知見を積層造形技術のために私どもに提供していただけたのは、やはりNEDOプロジェクトでの連携の大きな成果です」と語ります。

眞部さんも、「金属粉末メーカー、ソフトウェア開発企業、装置メーカー、後加工の技術を持つ企業、さらにユーザーの立場の企業までが、ワンチームとなれたことで、装置単体の提供でなく、ソリューションの提供を目指すことができました」と、NEDOプロジェクトで企業が連携したことの成果を強調します。