金属レーザー積層造形におけるビーム整形技術の応用

レーザー積層造形 (AM) 技術は、高い製造精度、強力な柔軟性、高度な自動化という利点を備え、自動車、医療、航空宇宙などの分野の主要コンポーネントの製造に広く使用されています (ロケットなど)。燃料ノズル、衛星アンテナブラケット、人間のインプラントなど)。この技術は、材料の構造と性能を一貫して製造することにより、印刷部品の組み合わせ性能を大幅に向上させることができます。現在、レーザー積層造形技術では、一般に、中心が高く、エッジのエネルギー分布が低い集束ガウス ビームが採用されています。しかし、多くの場合、溶融物中に高い温度勾配が発生し、その後の細孔や粗大粒子の形成につながります。ビーム整形技術は、この問題を解決する新しい方法であり、レーザービームのエネルギー分布を調整することで印刷効率と品質を向上させます。

従来のサブトラクションおよび同等の製造と比較して、金属積層造形技術には、短い製造サイクルタイム、高い加工精度、高い材料利用率、部品の全体的な優れた性能などの利点があります。したがって、金属積層造形技術は、航空宇宙、兵器および機器、原子力、バイオ医薬品、自動車などの産業で広く使用されています。金属積層造形では、離散積層の原理に基づき、エネルギー源 (レーザー、アーク、電子ビームなど) を利用して粉末やワイヤを溶かし、それらを層ごとに積層して目的のコンポーネントを製造します。このテクノロジーは、少量のバッチ、複雑な構造、または個別化された部品の製造において大きな利点があります。従来の技術では加工できない、または加工が難しい材料も、積層造形法を使用した調製に適しています。上記の利点により、積層造形技術は国内外の学者から幅広い注目を集めています。過去数十年にわたり、積層造形技術は急速に進歩しました。レーザー積層造形装置の自動化と柔軟性、および高いレーザーエネルギー密度と高い加工精度の総合的な利点により、レーザー積層造形技術は、上記の 3 つの金属積層造形技術の中で最も早く発展しました。

レーザー金属積層造形技術は、さらに LPBF と DED に分類できます。図 1 は、LPBF および DED プロセスの典型的な概略図を示しています。選択的レーザー溶解 (SLM) としても知られる LPBF プロセスでは、粉末床の表面上の固定経路に沿って高エネルギー レーザー ビームを走査することで、複雑な金属部品を製造できます。その後、粉末は層ごとに溶けて固まります。DED プロセスには主に、レーザー溶融蒸着とレーザー ワイヤ送給積層造形の 2 つの印刷プロセスが含まれます。これらの技術は両方とも、金属粉末またはワイヤを同期的に供給することにより、金属部品を直接製造および修理することができます。DEDはLPBFに比べて生産性が高く、製造面積も広くなります。さらに、この方法では、複合材料や傾斜機能材料も簡単に調製できます。ただし、DED で印刷された部品の表面品質は常に悪いため、対象部品の寸法精度を向上させるために後続の処理が必要になります。

現在のレーザー積層造形プロセスでは、通常、集束ガウス ビームがエネルギー源となります。しかし、その独特のエネルギー分布（中央が高く、端が低い）により、高い熱勾配と溶融プールの不安定性を引き起こす可能性があります。印刷部品の成形品質が低下します。さらに、溶融池の中心温度が高すぎると、低融点金属元素が蒸発し、LBPF プロセスの不安定性がさらに悪化します。したがって、気孔率が増加すると、印刷部品の機械的特性と疲労寿命が大幅に低下します。ガウス ビームの不均一なエネルギー分布も、レーザー エネルギー利用効率の低下と過剰なエネルギーの浪費につながります。より良い印刷品質を達成するために、学者たちは、エネルギー入力の可能性を制御するために、レーザー出力、走査速度、粉末層の厚さ、走査戦略などのプロセスパラメータを変更することにより、ガウスビームの欠陥を補償することを検討し始めています。この方法の処理ウィンドウは非常に狭いため、固定された物理的制限によってさらなる最適化の可能性が制限されます。たとえば、レーザー出力とスキャン速度を向上させると、高い製造効率を達成できますが、多くの場合、印刷品質が犠牲になります。近年、ビーム整形戦略を通じてレーザーのエネルギー分布を変更することで、製造効率と印刷品質を大幅に向上させることができ、これがレーザー積層造形技術の将来の開発方向になる可能性があります。ビーム整形技術とは、一般的に、入力ビームの波面分布を調整して、所望の強度分布と伝播特性を得る技術を指します。金属積層造形技術におけるビーム整形技術の応用を図 2 に示します。

レーザー積層造形におけるビーム整形技術の応用

従来のガウス ビーム プリンティングの欠点

金属レーザー積層造形技術では、レーザー ビームのエネルギー分布が印刷部品の品質に大きな影響を与えます。ガウスビームは金属レーザー積層造形装置で広く使用されていますが、積層造形プロセスでは不安定な印刷品質、低エネルギー利用、狭いプロセスウィンドウなどの重大な欠点があります。中でも、粉末の溶融プロセスと金属レーザー添加プロセス中の溶融池のダイナミクスは、粉末層の厚さと密接に関係しています。粉末の飛散領域と侵食領域が存在するため、粉末層の実際の厚さは理論上の予想よりも厚くなります。第二に、蒸気柱が主な後方ジェット飛沫を引き起こしました。金属蒸気は後壁に衝突して飛沫を形成し、溶融池の凹面領域に垂直な前壁に沿って噴霧されます（図 3 を参照）。レーザービームと飛沫間の複雑な相互作用により、放出された飛沫は後続の粉末層の印刷品質に重大な影響を与える可能性があります。さらに、溶融プール内のキーホールの形成も、印刷部品の品質に重大な影響を与えます。印刷物の内部細孔は、主に不安定な固定穴によって引き起こされます。

ビーム整形技術における欠陥の発生メカニズム

ビーム整形技術は、複数の次元のパフォーマンス向上を同時に達成できます。これは、他の次元を犠牲にして 1 つの次元のパフォーマンスを向上させるガウス ビームとは異なります。ビーム整形技術により、溶融プールの温度分布と流れ特性を正確に調整できます。レーザーエネルギーの分布を制御することで、温度勾配の小さい比較的安定した溶融池が得られます。適切なレーザーエネルギー分布は、多孔性やスパッタリング欠陥を抑制し、金属部品へのレーザー印刷の品質を向上させるのに役立ちます。生産効率や粉体利用の様々な改善を実現します。同時に、ビーム整形技術はより多くの加工戦略を提供し、プロセス設計の自由度を大幅に解放します。これはレーザー積層造形技術における革命的な進歩です。