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、高い柔軟性、高度な自動化といった利点を持ち、自動車、医療、航空宇宙などの分野における主要部品（ロケット燃料ノズル、衛星アンテナブラケット、人体インプラントなど）の製造に広く利用されています。この技術は、材料構造と性能を統合的に製造することで、プリント部品の複合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的に、中心部のエネルギーが高く端部のエネルギーが低い集束ガウスビームが採用されています。しかし、溶融物中に高い温度勾配が発生しやすく、その結果、気孔や粗粒の形成につながることがよくあります。ビーム整形技術は、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る、この問題を解決する新しい方法です。

従来の切削加工や同等の製造方法と比較して、金属積層造形技術は、製造サイクル時間の短縮、加工精度の向上、材料利用率の向上、部品の総合的な性能の向上といった利点があります。そのため、金属積層造形技術は、航空宇宙、兵器・装備、原子力、バイオ医薬品、自動車などの産業で広く利用されています。金属積層造形は、離散的な積層の原理に基づいて、エネルギー源（レーザー、アーク、電子ビームなど）を用いて粉末やワイヤを溶融し、それらを層ごとに積み重ねて目的の部品を製造します。この技術は、少量生産、複雑な構造、または個別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、積層造形法で製造するのに適しています。上記の利点から、積層造形技術は国内外の学者から広く注目を集めています。過去数十年間で、積層造形技術は急速な進歩を遂げてきました。レーザー積層造形装置の自動化と柔軟性、そして高いレーザーエネルギー密度と高い加工精度という総合的な利点により、レーザー積層造形技術は、上述の3つの金属積層造形技術の中で最も急速に発展しました。

レーザー金属積層造形技術は、LPBFとDEDにさらに分類できます。図1は、LPBFとDEDプロセスの典型的な概略図を示しています。選択的レーザー溶融（SLM）としても知られるLPBFプロセスは、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により、複雑な金属部品を製造できます。その後、粉末は層ごとに溶融および凝固します。DEDプロセスは、主にレーザー溶融堆積とレーザーワイヤ供給積層造形の2つの印刷プロセスを含みます。これらの技術はどちらも、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復できます。LPBFと比較して、DEDは生産性が高く、製造領域も広くなっています。さらに、この方法は複合材料や機能勾配材料を容易に製造することもできます。ただし、DEDで印刷された部品の表面品質は常に劣っており、対象部品の寸法精度を向上させるには後続の処理が必要です。

現在のレーザー積層造形プロセスでは、通常、集束されたガウスビームがエネルギー源として用いられます。しかし、その独特なエネルギー分布（中心部が高く、端部が低い）のため、溶融プールの温度勾配が大きくなり、不安定になりやすいという問題があります。その結果、造形部品の成形品質が低下します。さらに、溶融プール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。そのため、気孔率が増加すると、造形部品の機械的特性と疲労寿命が著しく低下します。ガウスビームのエネルギー分布の不均一性は、レーザーエネルギーの利用効率の低下と過剰なエネルギー浪費にもつながります。より良い造形品質を実現するために、研究者たちは、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で、ガウスビームの欠点を補い、エネルギー投入の可能性を制御する研究を始めています。しかし、この方法の加工ウィンドウが非常に狭いため、物理的な制約によってさらなる最適化の可能性が制限されています。例えば、レーザー出力と走査速度を上げると製造効率は向上しますが、多くの場合、印刷品質が犠牲になります。近年、ビーム整形戦略によってレーザー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可能になり、これがレーザー積層造形技術の将来の発展方向と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搬特性を得ることを指します。金属積層造形技術におけるビーム整形技術の応用例を図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印刷の欠点

金属レーザー積層造形技術において、レーザービームのエネルギー分布は造形物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、造形品質の不安定性、エネルギー利用効率の低さ、造形プロセスにおけるプロセスウィンドウの狭さなど、深刻な欠点があります。中でも、金属レーザー積層造形プロセスにおける粉末の溶融プロセスと溶融プールのダイナミクスは、粉末層の厚さと密接に関係しています。粉末の飛散や侵食領域が存在するため、実際の粉末層の厚さは理論値よりも高くなります。次に、蒸気柱が主となる後方ジェット飛散を引き起こします。金属蒸気が後壁に衝突して飛散物を形成し、溶融プールの凹面領域に垂直な前壁に沿って噴射されます（図3参照）。レーザービームと飛散物の複雑な相互作用により、噴射された飛散物は後続の粉末層の造形品質に深刻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造形物の品質に深刻な影響を与えます。印刷物内部の気孔は、主にロック穴の不安定さによって発生する。

ビーム整形技術における欠陥形成メカニズム

ビーム整形技術は、複数の次元で同時に性能向上を実現できます。これは、一次元性能を向上させるために他の次元を犠牲にするガウスビームとは異なります。ビーム整形技術は、溶融プールの温度分布と流動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プールが得られます。適切なレーザーエネルギー分布は、気孔やスパッタリング欠陥を抑制し、金属部品へのレーザープリントの品質を向上させるのに有効です。これにより、生産効率と粉末利用率を様々な面で向上させることができます。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高めます。これは、レーザー積層造形技術における革新的な進歩です。