正確、スマート、高生産性:FraunhoferILTのAMイノベーション

December, 2, 2025, Aachen--Fraunhoferレーザ技術研究所ILTは、30年以上にわたり、画期的なシステムとプロセスの革新により金属積層造形（AM）を形作ってきた。2025年11月18～21日まで開催されるFormnextで、レーザ研究所はホール11のブースD31で、業界の主要な課題に向けた開発である包括的なポートフォリオを発表する。
コストを削減し、やり直しを節約し、コンポーネントをより堅牢にする。高強度のタングステン部品や、溶融用途における極度の応力部品に対するマルチマテリアルアプローチから、時間とエネルギーを節約する生産性の高いコーティングと仕上げの同時プロセス、金属部品をスマートにするプリントセンサなどのスマート構造まで。

「デモンストレータを開発するにせよ、量産シリーズを開発するにせよ、FraunhoferILTのR&Dは、プロセスをより速く、より堅牢にし、高いコンポーネント品質を確保することに重点を置いている」と、FraunhoferILTのレーザ粉末床溶融(LPBF)部門の責任者Dr.Tim Lantzschは説明している。

Formnext 2025の展示品は、燃料電池用のAl-Scマニホールドハウジング、衛星用のLPBF製光キャリア、自由に成形可能なビームプロファイル用の2kW LCoSテストセットアップ、および気孔率を調整できるLPBF構造など、プロセスチェーン全体にわたってこのアプローチを示している。

選択的レーザ焼結(SLS)では、新材料のプロセス開発に注力している。FraunhoferILTの柔軟な実験施設は、非常に柔らかい熱可塑性ポリウレタン(TPU)や形状記憶ポリマなど、少量の粉末でもすでに処理できる。特性を選択的に制御し、新しいアプリケーションや連続生産のための堅牢なパラメータを決定することを目的としている。

「われわれは、材料、プロセス、データを組み合わせて、部品あたりのコストを削減し、品質と可用性を向上させる、コンポーネント機能の観点から積層造形について考えている。われわれは、最初のアイデアから産業パートナーでの安定した生産に至るまで、自分たちを問題解決者およびプロセス開発者だと考えている」（Lantzsch）。

核融合エネルギー用タングステン部品
原子炉壁の補強など、核融合炉のプラズマ曝露コンポーネントは、最大約20MW/m²の周期的な熱負荷と高放射線に耐える必要がある。純タングステンは、これらの極端な条件に適した実質的に唯一の材料である。ただし、材料は単純な幾何学的形状にしか作成できず、複雑な方法で接合する必要がある。熱膨張が異なると、ハンダづけされた接合部が熱サイクルで破損し、耐用年数とプラントの可用性が低下する。

ここでDURABLEプロジェクトの出番である。積層造形プロセスにより、産業界は、重要な接合ゾーンの代わりに連続的な熱路を持つタングステンおよび銅合金のモノリシックまたはマルチマテリアルコンポーネントを製造できる。プロセス制御は非常に重要:PBF-LB/Mの新しいシステム技術とパラメータウィンドウにより、実質的に亀裂のない高密度タングステン構造が得られる。これにより、コンフォーマル冷却による複雑な幾何学的形状の製造が可能になる。

「その利点は、コンポーネントの寿命が長くなり、やり直しが少なくなり、接合ポイントでのリスクが軽減されることにある。これは、メンテナンス間隔を延長し、稼働時間あたりのコストを削減するための前提条件である」と、FraunhoferILTのLPBFプロセス&システムエンジニアリンググループマネージャーNiklas Prätzschは説明している。

1つのステップで表面を最適化
FraunhoferILTのコーティングLMDおよび熱処理グループマネージャViktor Glushychは、超高速レーザクラッディング(EHLA)の新しい画期的なアプローチを追求している。このプロセスは素早くコーティングし、リソースを節約できるが、ほとんどの場合、表面は後加工を必要とする。同時コーティングとローラーバニシング(SCaRB)は、EHLAとローラーバニシングを1つのプロセスステップで組み合わせたものである。塗布された層がまだ暖かい間に、ローラーツールが結果の表面を走らせ、塑性的に圧縮し、粗さのピークを滑らかにする。これにより、高い表面品質を備えた緻密な圧力飽和表面層が作成され、アブレーションや追加のセットアップは不要になる。

「これにより、時間、工具、材料が節約される」とGlushychは言い、その利点を説明している。「同時に、SCaRBは微細構造と内部応力に明確に影響を与える可能性がある。これにより、耐摩耗性と耐食性が向上し、コーティングされた部品の疲労強度が向上する。」Formnextでは、FraunhoferILTがEHLAローリングデモンストレーションを発表し、来場者が複合プロセス制御がどのように機能するかをライブで理解できるようにする。

PFASフリーのマルチマテリアルコーティング
純粋な金属層に加えて、様々な材料で作られた多層コーティングも適用できる。ここでは、金属層のEHLAプロセスとPEEK層の適用を組み合わせて、機能的な複合層を製造する。PEEKはフッ素を含まない高性能ポリマであり、PFASコーティングの魅力的な代替品である。「革新は、EHLAプロセスからの余熱を使用して、次のステップで堆積したPEEK層を溶かすことにある。FraunhoferILTで開発されたノズル技術がこの目的に使用され、均質な塗布を可能にする。このハイブリッドコーティングシステムは、個別に調整可能な2つの機能層の特性を兼ね備えている」と、FraunhoferILTのリサーチアソシエイトRebar Hama-Saleh Abdullahは説明している。

金属EHLA層は、腐食防止層(ピストンなど)、緊急運転層(風力タービンなど)、または熱伝導性中間層として使用できる。使用する添加剤に応じて、上部に塗布されたPEEK層は、焦げ付き防止層、スライド層、または追加の腐食保護として機能する。「金属とポリマの間の接着強度は、EHLAプロセスを使用して特別に作成された粗い表面にプラスチックをクランプすることによって達成される」と、FraunhoferILTの表面技術およびアブレーション部門の責任者、Dr.Christian Vedderは説明している。

プリントセンサ、スマートコンポーネント
積層造形（AM）では、コンポーネントを層ごとに作成し、外部から到達できない領域にアクセスできるようにする。センサを金属部品に直接組み込むアプローチは、LPBFコンポーネントにプリントされたひずみゲージなど、これに基づいて構築されている。センサ層は、インクジェット、エアゾールジェット、またはパッドプリンティングを使用して作成される。センサは、組み立て中または組み立て後に適用でき、正確に位置決めできる。この方法で製造されたスマートコンポーネントは、たとえば、荷重、変形、または初期亀裂形成に関するリアルタイムのデータを提供する。

「これらのセンサは、従来の製造ではアクセスできない領域であっても、データが最も有用な場所に正確に配置されている」と、FraunhoferILTの薄膜処理グループマネージャーであるDr.Samuel Moritz Finkはまとめている。「これにより、運転中の状態を監視し、予知保全を行い、運用の信頼性を高めることができる。同時に、個別の上部構造、ケーブル、または外部測定ポイントが不要になるため、システムの複雑さが軽減される。対象産業は、航空宇宙、エネルギーから機械工学まで多岐にわたる。」

問題解決者およびプロセス開発者
金属AMの企業にとっての主な課題には、高い単価、複雑なアプリケーション開発、連続生産のプロセスの認定と認証が含まれる。ここでまさにFraunhoferILTの出番となる。ボトルネックを特定し、安定したプロセスを開発し、最初の機能プロトタイプから顧客の現場での堅牢な製造まで、アプリケーションを迅速に生産に持ち込む。

「新しい材料は、SLSの特定の強み、つまり設計の自由度と支持構造からの自由をますます多くの産業で活用するための鍵である。改良された機械を使用すると、これらの材料を効率的に認定し、産業プラントの鶏と卵の問題を克服できる」と、FraunhoferILTのアプリケーション開発グループのVera Rothmundは説明している。

「FraunhoferILTでは、自らを産業界のパートナーと見なしている。生産性や品質保証から費用対効果まで、金属3Dプリンティングにおける主要な課題を解決するために、企業とともにカスタマイズされたプロセスと技術を開発している」と、FraunhoferILTのレーザ材料蒸着部門の責任者Dr.Thomas Schopphovenはコメントしている。