積層造形：SLM技術を用いた高性能遠心インペラの印刷に成功

発売日：2026年4月3日

ハイエンド製造の分野において、複雑でトポロジー最適化された設計を物理的な現実へと変換することは、製造プロセスの究極の試練となる。 Forgecise 本研究は、選択的レーザー溶融（SLM）技術を用いて、軽量かつ高強度な一体型遠心インペラを製造することで、数々の課題を克服する方法を示す優れた事例研究である。

設計目標と主要な課題

このインペラの設計目標は非常に厳格だった。

• 軽量化トポロジー最適化により、17.14%の重量削減を実現する。
• 高信頼性: 室温での破裂速度が71,000 r/minをはるかに超え、作業速度の115%（約66,700 r/min）で塑性変形がゼロであることを保証します。
• 複合構造軽量化のために設計された内部空洞は、製造および後処理の両方において、特に閉じ込められた金属粉末の除去に関して、大きな課題となる。

材料および機器の選定

• 材料: 航空宇宙産業のスター素材、 TC4チタン合金（Ti-6Al-4V）が選定されました。その高い比強度、優れた耐食性、そして良好なSLM成形性により、高速回転部品の性能要件を満たすのに理想的な材料です。
• 装置: アン デュアルレーザーSLMマシン が採用された。300x300x400mmの造形サイズ、500Wのファイバーレーザー、そして厳密に制御された不活性ガス環境（酸素濃度1000ppm以下）が、高品質な造形を実現するためのハードウェア基盤を提供した。

主要な技術革新

この報告書の素晴らしさは、積層造形の特性に合わせて考案された一連の独創的な戦略にある。

A. ゾーン別パラメータスキャン戦略
これが総合的な品質を確保するための核心です。エンジニアたちは「万能型」のアプローチではなく、部品の異なる領域の機能的ニーズに基づいて、3種類のプロセスパラメータをカスタマイズしました。

• 固体ゾーン （主荷重支持構造）：強度要件を満たす密度99.5%以上を確保するため、高エネルギー密度パラメータ（325W、1250mm/s）を使用しました。
• 表面ゾーン （精度と空力性能を決定づける）：輪郭、上面、下面にはそれぞれ細かいパラメータが個別に適用された。特に、粉末層に張り出す下面については、粉末の付着や飛散を防ぎ、表面品質を確保するために、低エネルギー入力（120W、1250mm/s）が用いられた。
• サポートゾーン （後で取り外す）：固体支持材は剛性を確保するために高いエネルギーを使用し、格子状支持材は緩やかな構造を作るために低いエネルギーを使用し、迅速かつきれいに取り外せるようにしています。

B. ハイブリッドサポートと一体型粉体除去孔設計

• ハイブリッドサポートインペラベースには、革新的な組み合わせが採用されています。 輪郭支持＋円錐支持＋格子支持 が使用されました。この組み合わせにより、成形中の安定性が確保され、反りが防止され、後処理が大幅に簡素化されました。報告書によると、サポート材の除去はわずか30分で完了したとのことです。
• 一体型粉末除去穴設計段階で、水平方向に8個、垂直方向に4個の粉体除去孔が設けられました。これらの孔の位置、サイズ（2.0～2.5mm）、および周囲の壁厚は、有限要素解析によって綿密に計算され、検証されました。これにより、構造的な完全性を確保しつつ、ほぼ100%の粉体除去率を達成し、業界全体の課題であった内部粉体残留問題を完全に解決しました。

C. サポート不要の自己成形設計
適用することで 張り出し角度の制約（≤45°） トポロジー最適化により、キャビティのすべての内壁角度は、SLMプロセスの自己形成臨界角度よりも大きく設定されました。これにより、内部サポートが不要となり、製造および後処理のワークフローがさらに簡素化されました。

製造および後処理ワークフロー

プロセス全体は厳格かつ管理可能だった。

• モデルの向きインペラは垂直に配置され、ブレード軸は造形方向と一致するように調整されており、表面品質とサポート要件を最適化している。
• 印刷工程部品は、厳密に管理されたアルゴン雰囲気下で38時間連続して印刷された。
• 後処理これには、自然冷却、圧縮空気による粉末除去、600℃での真空応力除去焼鈍、ベースプレートからのワイヤー切断、手動によるサポート除去、X線非破壊検査、そして最後に表面仕上げを改善するためのサンドブラストが含まれます。

品質検証とコスト分析

• 機械的特性インペラの横にプリントされた引張試験片は、横方向と縦方向の両方で、降伏強度（881～925 MPa）、引張強度（980～994 MPa）、伸び（13～16.8%）がTC4材料規格をはるかに上回り、十分な安全マージンを提供しました。
• 内部品質X線検査により、亀裂、溶融不良、その他の欠陥がないことが確認され、緻密で信頼性の高い内部構造であることが実証されました。
• 寸法と重量印刷された寸法はわずかに公差外であり、重量は理論値より約5.9%重かった。しかし、これは主に後工程の仕上げ加工のための機械加工代によるものであり、最終部品は設計上の軽量化目標を満たす見込みである。
• 料金総費用は5,400人民元で、材料費はわずか12%に過ぎず、従来の鍛造プロセスよりも大幅に低い。これは、高価な材料を効率的に活用できるという積層造形の大きな利点を浮き彫りにしている。

結論

この遠心インペラの製造成功は、単なる部品の製作にとどまらず、「製造を考慮した設計」という統合哲学を完璧に体現したものです。トポロジー最適化の設計概念とSLM技術の特性を深く融合させ、ゾーンパラメータ、ハイブリッドサポート、統合粉末除去といった革新的なプロセスを組み合わせることで、プロジェクトチームは複雑で軽量な部品を積層造形する際に直面する主要な課題を体系的に解決しました。本レポートは、高性能で複雑な構造部品の将来のエンジニアリング応用に向けて、完全かつ再現可能で追跡可能な技術設計図を提供します。

について Forgecise

Forgecise は、積層造形における革新企業であり、産業製造向けの高性能金属3Dプリンティング装置、材料、およびソフトウェアソリューションに注力しています。