マルチレーザー 3D 印刷技術 (下記) を使用して、高信頼性の金属部品を構築するにはどうすればよいでしょうか?

生産指向のマルチレーザー金属 3D 印刷装置は、複数のレーザーを使用して積層造形の生産効率を向上させます。複数のレーザーは、独立した部品を個別に製造することも、連携して 1 つの大きな部品を製造することもできます。このような柔軟性により、積層造形の生産効率が向上し、製造コストが削減されます。

しかし、複数のレーザーを同時に動作させると、互いに影響し合うのでしょうか?レーザー間の相互作用は金属 3D プリント部品の品質にどのような影響を与えますか?レニショーは、4 つのレーザーを備えた金属 3D 印刷装置 RenAM 500Q を使用して、複数のレーザー間の相互作用と、マルチレーザー装置のレーザー戦略を適切に計画する方法を研究し、そこからいくつかの洞察を得ました。

メルトプール分析 研究者たちは、一貫性のない溶融挙動の証拠も観察することができた。可視光線と赤外線の波長で溶融プールをリアルタイムで監視した結果、風下側の不利な場所でレーザー溶融を行っている間に溶融プールの活力と一貫性に測定可能な変化が見られることが分かりました。可視波長が短いほど強度の変化が大きくなり、波長が長いほど赤外線データは風下の融解プールに放出される熱が少なくなることを示しています。

画像提供: レニショー
図 1 は、レニショーの工程内品質管理ソフトウェア InfiniAM によって監視された溶融プールデータを示しており、2 つの異なるスペクトルバンドにおける風下サンプルと風上サンプルのスペクトル溶融プールデータを示しています。

風上レーザーの数の影響

研究では、風上レーザーの数が風下レーザー溶融の品質低下を決定する重要な要因であることが示されました。研究者らは、2 つのレーザーを使用した 3D プリントサンプルの引張試験の結果を 4 つのレーザーを使用した場合と比較し、風上側の単一レーザーからのプロセス排出が減少したため、風下側のレーザーへの影響が減少すると予想されることを発見しました。

画像クレジット: Renishaw この実験で風下側からレーザー印刷された部品の表面は、以前にテストされた部品よりも滑らかで、ベースライン条件に近い引張特性を示しました。風下の試験片の延性は依然として影響を受けていましたが、強度を大幅に低下させるほどではありませんでした。

画像クレジット: Renishaw 2レーザー3Dプリントテストでは、研究者らはダウンウインドサンプルの破断面に依然としていくつかの欠陥を観察しましたが、欠陥の数は4レーザーテストのダウンウインドサンプルの数よりもはるかに少なく、同じ直径範囲内の欠陥は10個でした。以前のテストで観察された欠陥の数は10個でした。欠陥サイズも 4 つのレーザーを使用した試験片よりもはるかに小さく、今回の試験では欠陥サイズは 150 ミクロン以下、前回の試験では 500 ミクロン近くでした。

画像クレジット: Renishaw 2 つのレーザーを使用した 3D プリント試験ではダウンウィンドレーザーが依然として影響を受けるため、2 つの溶融プール間の距離を大きくすることは依然として避ける必要がありますが、2 つのレーザーの場合は溶融プールの距離が 100 mm に増加しました。

印刷層の厚さの影響 一般的に、印刷される各層の厚さが厚いほど、より高い出力のレーザーが必要となり、エネルギー入力も大きくなり、溶融プールが大きくなり、スパッタも増加する可能性があります。さらに、レーザー出力が高くなると、より強力なレーザースポットが生成され、より強力な蒸気の煙とより多くの凝縮液が発生します。この点から推測すると、層の厚さが厚いほど、風下側の印刷サンプルはより深刻な影響を受けることになります。

しかし、研究者たちはテストを通じて、厚さの違いはほとんど影響がないことを突き止めました。テスト中、研究者は 30 ミクロンと 60 ミクロンの 2 つの層厚を使用してインコネル 718 サンプルを印刷しましたが、2 つの異なる層後の熱処理済みインコネル 718 サンプルのテスト結果は非常に類似していました (下の図を参照)。

画像提供: レニショー
層の厚さが異なる 2 つのサンプルの機械的特性の劣化と溶融プールからの距離の関係は非常に近いことがわかります。各データポイントの詳細には若干の違いがありますが、相互作用プロセスの確率的性質を考慮すると、結果は基本的に同じになります。

最も大きな影響を与える要因はどれですか?
上記の研究では、研究者らは風下の溶融の質に影響を与える3つの要因、すなわち焦点外れ、遮蔽、およびスパッタの混入を調査しました。最初の 2 つの要因は、空気中の粒子を介して風下のレーザービームに干渉し、3 番目の要因は粉末床の表面で発生します。では、これら 3 つの要因のうち、風下の融解品質に最も大きな影響を与えるのはどれでしょうか?

この目的のために、研究者たちは新しいレーザースキャン戦略をテストしました。新しいテストでは、レーザーが列状にスキャンされ、最初に最も風上のサンプルが溶かされ、次に風下のサンプルが溶かされます。これは、風下サンプルが最初の 2 つの要因の影響を受けなくなったが、3 番目の要因の影響をまだ受けていることを意味します。

画像提供: レニショー
上の図では、上の 2 つの曲線は、それぞれ 3 つの風上レーザーと 1 つの風上レーザーの空気伝播係数の影響下にある風下印刷サンプルのテスト結果であり、下の曲線は、表面飛沫係数のみ (風上、次に風下) の影響下にある風下印刷サンプルのテスト結果です。

この試験では、風下の試験片の引張特性の低下はほとんど見られず、表面粗さもほとんど影響を受けませんでした。風上で発生した破片は溶融性能にほとんど影響を与えません。研究者らは、これらの結果は、複数のレーザー間の相互作用に影響を与える主な要因が、焦点ずれや遮蔽などの空気中の要因であることも示していると考えています。

研究者らは、この実験はレニショーのマルチレーザー3Dプリント装置RenAM 500Qで実施されたため、異なるマルチレーザー3Dプリント装置で発生するレーザー相互作用の結果も異なるだろうと指摘した。

マルチレーザー 3D プリント戦略 上記の研究を通じて、研究者らはマルチレーザー 3D 印刷装置で印刷されたサンプルの品質に影響を与える要因を発見しました。では、この知識をマルチレーザー装置による 3D 印刷にどのように適用すればよいのでしょうか?

-マルチレーザー装置による複数部品の一括生産 パーツ配列のサイズがレーザーの数以上である場合、各パーツに 1 つのレーザーを割り当て、レーザーを風上方向に移動させながら「列」で印刷するオプションがあります。

- マルチレーザー装置を使用した単一の大型部品の製造 部品の水平ゾーンを各レーザーに割り当てることでダウンウィンド処理を完全に回避することもできますが、この方法の欠点は、部品の表面に痕跡が残り、ゾーン境界で部品が再溶融することです。さらに、印刷された部品が非常に規則的な形状でない限り、このレーザー戦略ですべてのレーザーが均等に使用される可能性は低くなります。

より良い戦略は、溶融プールの距離ルールに準拠した戦略を使用し、部品全体で 4 つのレーザーすべてを使用することです。このアプローチにより、4 つのレーザーすべてがほぼ同じ時間アクティブのままになり、各レイヤーの処理時間が最小限に抑えられます。各境界スキャンを処理するのに単一のレーザーを使用するのが合理的であり、これにより表面の不連続性が回避されます。レーザーは互いに近い位置に保たれ、風下の溶融プールまでの距離は最小限に抑えられます。

概要 マルチレーザー 3D プリント技術は生産効率が高くなりますが、複数のレーザー間の距離に関係する相互作用が発生し、場合によってはこの相互作用が 3D プリント部品の品質に悪影響を及ぼすことがあります。これらの相互作用のメカニズムを理解することで、マルチレーザー 3D 印刷装置のレーザー戦略を合理的に計画し、効率的かつ柔軟な方法で 3D 印刷部品を構築できるようになります。

著者：マーク・サンダース、レニショー、グローバルソリューションセンターディレクター

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