マルチレーザー 3D プリント技術による高信頼性金属部品の作り方 (パート 1)

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。

マルチレーザー構成

研究者らは、この研究で、レーザーと不活性ガスの流れの関係、そして特定の状況下で一方のレーザーが他方のレーザーにどのような影響を与え、材料の特性の劣化につながる可能性があるかを検討した。さまざまな金属粉末材料によって生成されるスパッタは、サイズ、形状、量が大きく異なる可能性があります。もちろん、マルチレーザー機器では処理中にさらに多くのスパッタが生成されるため、効果的なレーザー管理がさらに重要になります。

マルチレーザー 3D プリンティング装置では、複数のレーザーが比較的近い距離で動作する場合、不活性ガスの流れにおける相対的な位置に応じて、1 つのレーザーのレーザー放射が別のレーザーに影響を与えます。あるレーザーが別のレーザーの風下にある場合、そのレーザービームは風上にあるレーザーの溶解の影響を受けます。

複数のレーザーゾーンとエアフロー構成の例。画像提供元: Renishaw
レニショーは、第一世代のマルチレーザー機器がゾーン分けと直線または発散不活性ガス流の組み合わせによってこの現象を回避した方法を研究しました。ただし、このアプローチにはいくつかの欠点があります。

- 非対称ビルドでは、各レーザーの作業負荷が異なるため、一部のレーザーがアイドル状態になって他のレーザーがタスクを完了する必要があるため、生産性が低下します。
- 個別の光学システムは位置合わせが難しく、互いの熱ドリフトの影響を受ける可能性があり、大きなコンポーネントで作業する場合にオーバーラップ領域で不連続性が生じる可能性があります。
- 空気の流れが異なると、ビルドプレート全体、特に中央領域で溶融状態が異なります。

Renishaw のクアッドレーザー RenAM 500Q プリンターなどの新世代のマルチレーザー 3D プリンターには、完全なレーザーオーバーラップが備わっているため、各レーザーでビルドプレート全体を処理できます。これにより、各印刷層で 4 つのレーザーを効率的に使用して、構築時間を最小限に抑えることができます。また、このデバイスは、単一のレーザーを使用して大きな部品の境界スキャンを実行し、表面の不連続性を排除することもできます。単一の温度制御ガルバノメータにより、レーザーの相対位置における熱ドリフトを防止します。均一なガスフロー条件により、ビルドプレートのすべての領域で一定の条件が確保されます。

マルチレーザー相互作用に関する研究 完全なレーザーオーバーラップ機構を使用するこのマルチレーザーデバイスには一定の利点がありますが、このタイプの技術では、レーザーが互いに「受け入れない」というリスクが依然として存在します。不活性ガス流内でのレーザーの相対的な位置は非常に重要ですが、これは、プリントビルドの準備中にレーザーにタスクを割り当てることで制御できます。

画像提供: レニショー
研究者らは、一連の3Dプリントシリンダーを作成し、垂直引張試験を実施することで、複数のレーザー間の相互作用を研究した。研究中、研究者らは 4 つのレーザーを同時に使用し、4 x 4 アレイを選択してさまざまなレーザー分布オプションを調査しました。サンプルはインコネル 625 で印刷されました。

レーザー分布選択の影響 シングルレーザー 3D 印刷装置では、粉末材料の溶融は通常、不活性ガス流の風下から始まり、徐々に風上に移動します。これは、同じ印刷層でレーザーによって生成されたスパッタに遭遇する可能性を最小限に抑えるために行われます。この戦略は、複数のレーザー 3D プリントデバイスを使用する場合にも使用できます。試験で使用された RenAM 500Q 3D プリンターの場合、これはレーザーが左から右に処理することを意味します。

画像提供: レニショー
円筒形のサンプルを 3D 印刷する場合、レーザースキャン戦略の 1 つは、4 つのレーザーが左側の最初の列 (上図のように 1、5、9、13) の 4 つのサンプルに同時に作用し、各層が完了するまで次の列に移動する、というものです。このレーザー分散オプションは、各レーザーが他のレーザーからの干渉を受けずに「クリーンな空気」で処理されることを意味します。

画像提供: レニショー

逆に、円筒形のサンプルを処理するときに行配列戦略を採用すると、上の図に示すように、レーザー 1 は常に他のレーザーの風下にあり、レーザー 4 は常に他の 3 つのレーザーの風上にあり、レーザー 2 と 3 は風上と風下の両方にあります。

別のレーザースキャン戦略は、4 つのレーザーを同時に使用して各円筒形サンプルを構築することです。ストライプハッチング戦略を使用すると、4 つのレーザーすべてを組み合わせて各パーツを構築できます。

研究者らは、上記3つのレーザースキャン戦略によって製造されたサンプルの引張試験結果をまとめ、各戦略で得られた16個のサンプルの応力-ひずみ曲線を分析しました。これには、破断時の平均伸び（引張試験機で負荷をかけた状態で測定）と標準偏差の比である変動係数（CoV）が含まれます。

これらのデータは、特定の状況下では同じ機器を使用しても品質の悪い部品が製造される可能性があることを示しています。他の 3 つのレーザーの風下で処理すると、部品の延性が失われ、場合によっては材料の最大引張強度が低下するほどでした。直感的には、複数のレーザーを近づけるのは良くないことであり、溶融プールを離して配置した方がより良い結果が得られると考えるかもしれません。しかし、そうではありません。研究者たちは、溶融池を密集させたままにしておくことが、より良い処理戦略であると考えています。各レーザーがビルドプレート全体を処理できれば、複数のレーザーを柔軟に適用できるようになります。

溶融池間の距離 レーザー溶融金属の品質と溶融池までの距離の関係を研究するために、研究者らはダウンウィンドレーザーとアップウィンドレーザー間の距離を変えて印刷構築実験を行った。彼らは、粉体層の風上側（右側）に 3 列のサンプルを配置し、風下側（左側）に 4 列目のサンプルを配置しました。

画像提供: レニショー
上の図からわかるように、サンプルの一番左の列では、各行と風上サンプル間の距離が異なります。研究者たちはこれらのプロトタイプを列配列で構築した。もちろん、このレーザー戦略は高品質の部品を製造する方法ではなく、研究テストにのみ使用されます。

この場合、研究者らは熱処理されたインコネル 718 材料を使用してこれらの効果を説明し、他のいくつかの材料で情報を補足しました。

延性 以前のテストで見られた結果と同様に、風下の試験片は延性が低下し、破断時の伸びが大きく変化しました。右側では、引張特性が向上し、より一貫性が増します。

画像提供: レニショー
異なる列のサンプルを比較することで、溶融プールまでの距離の関係を見ることができます。下のグラフは、研究者がさまざまな材料にわたって風下側と風上側の試験片間の距離を広げるにつれて、破断時の伸びが減少することを示しています。

画像提供: レニショー

これらの値はすべて、引張試験機で測定され、荷重下で評価されることに注意してください。
同様に、さらに風下に移動すると、研究者らは、Ti6Al4V を除くほとんどの材料の最大引張強度 (UTS) が低下することを発見しました。

画像提供: レニショー

機械的特性と風下距離の関係は、スパッタの発生と引張挙動の違いにより、材料ごとに若干異なります。しかし、風下に移動するほど、材料特性への影響が大きくなることがわかります。上記のテストでは、溶融プールの距離を約 60 mm に保つと影響は最小限に抑えられますが、レーザーの間隔が大きくなると、劣化が大幅に増加します。このことから、溶融池を近くに保つことが最善であることがわかります。

溶融挙動の変化、レーザー相互作用メカニズム では、風下サンプルの機械的特性と溶融品質の低下の根本的な原因は何でしょうか? 風下側のレーザーは風上側の隣接レーザーからどのような影響を受けるのでしょうか?
可能な相互作用メカニズムは 3 つあります。

- 空気中の結露による焦点の障害 – レーザースポットの強度の低下につながる

画像提供: レニショー

- 空気の飛沫と結露による閉塞 - レーザーエネルギーが粉末床に完全に到達できない

画像提供: レニショー

- 部品にスパッタが追加されます - 粉末床に大きな粒子が存在すると、粉末がレーザーエネルギーから保護されます

画像提供: レニショー
これら 3 つの相互作用メカニズムは相互に影響を及ぼし、レーザーエネルギー強度の損失によって溶融プロセスの強度が低下し、その結果、スパッタがより低速で発生して溶融池の近くに落下し、その後、スパッタがコンポーネントに組み込まれる可能性が高まります。
表面粗さと溶融欠陥 風下の試験片の機械的特性が弱くなるのは、溶融挙動の変化が原因です。研究者たちは、機械加工前の試験片の表面粗さにその証拠を見ました。表面粗さは、引張強度（下の図を参照）と延性の低下と密接に相関していました。表面には材料品質の劣化が見られ、これは下にあるレーザーの焦点がぼけている証拠です。表面粗さは、レーザーの悪影響の指標として使用できます。

画像提供: レニショー
上の図は、熱処理されたインコネル 718 引張試験片 28 個の表面粗さと極限引張強度を示しています。表面粗さは機械的特性の良い指標です。

引張破面を観察すると、硬化材料の最も弱い部分の品質がわかります。研究者らは、最も風下の標本について、破断面に多数の欠陥が見られ、表面は滑らかで、層間の融合が欠如していたことを示唆していることを確認した。これらの溶融欠陥における亀裂表面の加速された融合により早期破損が発生し、周囲の材料にさらにストレスがかかり、試験片の強度が低下します。

画像提供: レニショー
上図は、熱処理中のインコネル718試験片の引張サンプルの破面のSEM画像です。滑らかな欠陥領域は、破壊面の大部分を構成する粗い延性破壊領域とは対照的です。下層の溶融跡の上面がはっきりと見えており、これらの欠陥領域では溶融が発生していないことがわかります。

画像提供: レニショー
この極端な例では、6 mm ゲージ直径にわたって約 100 個の融合欠陥が分布しています。同時に、風上側の試験片には明らかな融合欠陥はなく、典型的な「カップアンドコーン」の延性破面を示しました（上図参照）。

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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