レニショーの Shi Hui: マルチレーザー金属 3D プリントのイノベーション

2019年9月19日から21日まで、IAME中国（西安）国際3Dプリント博覧会およびサミットフォーラムが西安ハイテク国際会議センターで開催されます。 2019IAMEは、積層造形（3Dプリント）技術革新のためのオープンな協力、共有、コミュニケーションプラットフォームを構築し、積層造形（3Dプリント）分野における世界トップクラスの成果と人材を結集し、業界におけるさまざまなリンクと産業チェーンの接続と統合を促進することを目指しています。戦略的パートナーメディアとして、Antarctic Bearは西安に行き、イベント全体を報道しました。
2019年9月20日、「積層造形技術・設備フォーラム」において、上海レニショー貿易有限公司の積層造形事業部ビジネス開発マネージャーのShi Hui氏が「マルチレーザー加工におけるイノベーション」をテーマに報告を行いました。

現地での略記は次のとおりです。

マルチレーザー処理の分野における当社の進歩をご紹介する機会をいただき光栄に思います。私の名前はShi Huiです。現在、中国全土におけるレニショーの積層造形事業を担当しています。これから20分ほど、当社の最新の研究成果についてお話ししたいと思います。

レニショーは、2017年末にRenAM500Qという当社初のクアッドレーザー加工装置を発売しました。これは、加工効率を向上させるために設計された装置です。積層造形は現在、産業化に向かっていることは周知の事実ですが、大きなボトルネックの1つは加工効率の低さです。この前提の下、当社は500Q装置を開発しました。中間加工のビデオをご覧ください。これは、これまで見てきたマルチレーザー装置とはまったく異なります。まさにクアッドレーザー協働加工です。部品を加工する場合でも、4つのレーザーが使用されます。4つのレーザーを使用して、粉末床の隅々まで加工します。当社は、実際に効率を向上できる分割マルチレーザースキャンとは異なります。従来のマルチレーザー装置は、単一領域の処理に使用されることはほとんどなく、単一領域で多くの問題が発生することがよくあります。

500Qは4つの500Wレーザーで構成されています。これに基づいて、新しい監視システムを簡単に紹介します。これは、データを収集して後で分析するのではなく、市場に出回っているリアルタイム監視システムです。当社の 4 レーザー装置とマルチレーザー装置の最大のイノベーションは光学ベースにあります。この光学ベースは積層造形法で設計され、積層造形技術を使用して製造されています。積層造形技術の利点を十分に発揮し、4 セットの技術を 1 つのモジュールに統合し、レイヤーごとの冷却により複数のレーザーの相互影響を回避します。熱によってフレーム全体が熱膨張や収縮を起こして変形すると、それらの調整に問題が生じます。このようなコンフォーマル冷却設計を採用することで、モジュールの温度を一定の範囲内で一定に保つことができます。このモジュールは粉末床の中央に設置されており、各光線が粉末床の隅に当たることを保証します。レーザー積層造形における一般的な現象として、端に近づくほど品質が悪くなり、中央に近づくほど品質が良くなります。この設計により、4組の走査光ケーブルを効率的な領域間で連携させるように制限し、全体的な処理品質を確保できます。

4レーザーシステムですが、保護レンズは1つしかなく、1つの光から出ます。この設計は単一のレーザーに似ていますが、市販のマルチレーザーデバイスとは異なります。レーザーが 4 つある場合、ウィンドウも 4 つありますが、当社のデバイスにはウィンドウが 1 つしかありません。ユーザーは、レーザーの 4 つの数字に基づいて、部品を加工するために 1 つのレーザーを選択したり、部品を加工するために複数のレーザーを選択したり、外面をスキャンするためにレーザーを指定したりするなど、いくつかの機能を利用できます。このようにして、加工中に、プロセス選択に関してユーザーにはより多くのオプションが提供されます。 4 つのレーザーを 1 つの出口に統合することで、全体の作業設計が比較的コンパクトになり、多数の小さな穴と下向きの圧力の空気の流れが提供され、作業室全体の空気の流れの分散が改善されます。複数のレーザーが同時に部品を加工する場合、複数のレーザーと単一のレーザーの間には明らかに違いがあります。誰もが、複数のレーザーは1つのレーザーほど加工に適していないと考えるため、多くの場合、1つのレーザーを指定して部品を加工し、作業を実行します。いくつかのデータを皆さんと共有しましょう。私たちが作ったそれぞれの色はレーザーを表しています。4 つのレーザーが 16 個のテストバーを処理し、それらは粉末床の対応するコーナーに分散されました。これは機械的な特性です。この場合、機器が適切に調整されていれば、印刷効果は基本的に同じであることがわかります。この写真は、各テストロッドにさまざまな色が付いていることを示しています。異なる色は異なるレーザーに対応しています。各ロッドは、同時に 4 つのレーザーによって処理されます。レーザー間の調整に問題がある場合は、対応する機構上の問題が発生します。また、結果からは、4 つのレーザーで同時に部品を印刷した場合でも、1 つのレーザーで部品を印刷した場合と比べて違いがないこともわかります。これにより、複数のレーザーが連携して部品を印刷することに関する多くのユーザーの懸念が解消されると思います。同時に、ユーザーも 4 つのレーザーを使用して大きな立方体を印刷し、それを 1 つずつ切り取るテストを行いました。テストの結果は、単一のレーザー印刷の結果と一致しました。

なぜ 4 つのレーザー装置が必要なのでしょうか?生産を増やすためです。以前、競合他社も複数のレーザーによる容量向上の違いを紹介しました。500Qでも同様です。従来の単一レーザー装置と比較して、容量の違いはどれくらいですか?処理効率が約3.5倍。新しい機器にはさまざまな技術が使用されています。例えば、500Qは現在、全体がダイナミックフォーカス方式を採用しています。生産能力を高めたいので、研究開発用の3Dプリンターではなく、工業生産に適した3Dプリンターを作りたいと考えています。この過程で、一連の監視システムも開発しました。最新の監視システムは、真のリアルタイム監視システムです。スキャンプロセス中にリアルタイムで信号を収集します。この方法を採用することで、レーザーが発射されると、光の一部が受信機を通過し、レーザー出力の安定性をリアルタイムで監視できます。レーザー出力が変動した場合、すぐに受信できます。

このような信号を収集した後、ソフトウェアで分析し、さまざまな 2D および 3D 角度から溶融池信号の異常なポイントを特定できます。ユーザーは、印刷プロセス中にどのような問題が発生したか、主にどのような問題を解決しようとしているかを明確に理解できます。業界の現状を考えると、完全な検査が行われることが多い。航空宇宙分野では、このような検査方法を受け入れることができるかもしれない。それを民間分野に移行したい場合、そのような効率とコストは、これらの分野での積層造形の使用をさらに制限するだろう。弊社はこのツールを提供しており、その目的はソフトウェア内で完結し、異常のないものについては合格と判断できます。前回の成形データと比較することができ、各層は層ごとに前の層に対応します。

溶融池の変化を確認します。光学窓の清浄度は溶融池の変化から確認できます。部品を印刷するとき、特定の領域で現象が発生し、その領域のエネルギーが異常になることがあります。次の層を印刷するときに、同じ領域でまだ異常が発生する場合、これは規則的なパターンであり、修正される可能性があり、ウィンドウに何らかの付着物がある可能性があります。それがランダムかつ不規則な場合は、それは別の問題です。このような解析ソフトウェアを使用することで、成形工程でどのような問題が発生したのか、その原因は何なのかを判断でき、次回の印刷時にそれらの問題を回避することができます。同時に、印刷プロセス中に異常が発生した場合、ユーザーの設定に応じて、ソフトウェアはオペレーターにリマインダーメッセージを送信し、印刷を中断する必要があるかどうかを判断し、対応する操作を実行できます。しかし、現時点では、例外が発見されたときにそれを自動的に処理するスマートな方法はありません。私たちはまだそのようなレベルに到達できません。

これらの機能を組み合わせることで、改善の機会が生まれます。成形プロセス中に発生した問題を把握し、記録し、分析して原因を突き止め、適切な解決策を提供します。フィードバックを提供することで、設計面やスキャン戦略の面でこれらの問題を的確に回避できます。同時に、2 番目の改善の機会は、元の無差別な完全検査モードを、異常領域のスキャンとテストのみを必要とするモードに変更し、ユーザーが後で直面する可能性のある検出コストを削減し、時間を短縮することです。今後どのような機能を開発する予定ですか?溶融池に対応する信号はわかっているので、現在開発しているのは、それをリアルタイムの完全閉ループ制御にすることです。この信号が検出されると、すぐにプロセスパラメータを自動的に修正し、次のステップのレーザー出力を調整できます。これが現在行っていることです。現段階では、当社の機器はまだそのようなレベルには達していません。この世代の製品は基本的に今後 1 ～ 2 年以内に登場する予定です。

マルチレーザーシステムでは煙やほこりが多く発生するため、より強力な空気流システムが必要です。先ほど先生がおっしゃっていたのは、気流は金属積層造形にとって非常に重要なリンクであり、成形指標を決定するということです。現在、従来の機器のほとんどは、左から右または後ろから前への水平吹き付け方式を採用しています。当社の新しい設計では、下向きの圧力気流を追加して、煙やほこりが保護ミラーに付着しないようにしています。下向きの圧力と水平気流により、作業エリア全体で発生したすべての汚染物質を効果的に除去できます。これはどのような効果をもたらすのでしょうか?従来よりも優れた機械的特性が向上し、より優れた密度が得られます。例えばチタン合金印刷では、500Q で 99.99% 以上の密度を印刷できます。引張破断面を見ると、カップコーン形状に欠陥はほとんどなく、CTスキャンでも目に見える気孔はほとんどありません。これは、従来の空気流設計に比べて大きな改善点です。

これはチタン合金の引張特性の比較です。従来の鍛造および一般的に使用されている積層造形装置と当社の500Qを比較しました。現在の500Qで得られた引張特性は、従来の装置よりも比較的優れていることがわかります。これは疲労性能です。同じ疲労寿命時間では、500Qで印刷されたテストロッドは他の製品よりも高い力に耐えることができます。相対的に言えば、私たちが作る欠陥は大幅に減少し、さらに寿命も延びます。

次に、弊社の500Qをご利用いただいているお客様について簡単にご紹介したいと思います。2017年末から現在までに、世界中で数十台の装置を販売してきました。例えば、フランスのサイフォンエアバス機の油圧空気管は西安プレスのお客様で、主にエンジン部品を製造しています。これは米国の当社の顧客の 1 社であり、主にエネルギーおよび天然ガス田のダウンホール掘削コンポーネントに携わっています。こちらはスウェーデンのサンドビケンです。この会社は、当社の 500Q を使用して量産されたフライスカッターディスクをリリースしたばかりです。主に医療用インプラントを製造しているアメリカの顧客です。私たちレニショーは、もともと積層造形に携わっていませんでした。私たちは切削造形から始まり、積層造形を行う国境を越えた顧客です。なぜ付加製造を行うのでしょうか?当社は減算材料に関する豊富な経験があるため、加法材料と減法材料は不可欠です。このプロセスでは、ブランクを印刷した後、細かい処理とテストを行う必要があり、一連の問題に直面します。処理をどのように配置し、トポロジ最適化でこれらの複雑な構造をどのように検出しますか?今日、当社は積層造形だけでなく、積層造形技術に基づいた非常に完全なソリューションを提供することができます。

以上が私の自己紹介です。皆様ありがとうございました！

レニショーの Shi Hui: マルチレーザー金属 3D プリントのイノベーション

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