Additec、米国：金属粉末とワイヤーを同時に使用するレーザー金属堆積（LMD）3Dプリント技術

2019年1月、Antarctic Bearは、アメリカの金属3Dプリンター機器メーカーAdditecが発売したデスクトップ型金属3Dプリンター「μprinter」について報じた。以下、Antarctic Bearは同社のレーザー金属堆積（LMD）技術について、より詳しく紹介する。
プロセスの概要:

レーザー金属堆積法 (LMD) は、高出力レーザーによって生成された溶融池に材料を導入する溶接プロセスです。LMDは、指向性エネルギー堆積法 (DED) プロセスの範囲内にあります。通常、導入される充填材は、レーザービームを囲む円錐形のリングノズルから注入される粉末です。追加された材料によって溶接部が形成され、その下の金属がコーティングされます。このプロセスは、部品の耐摩耗性を高めるクラッディング用途、摩耗した部品に材料を追加する修理用途、または複雑な形状の自由形状製造 (3D プリント) に使用されます。他のタイプの溶接と比較すると、LMD では熱影響部が小さくなり、コンポーネントの希釈度と残留応力が低くなります。

Additec の Wire LMD-WP (Wire Powder) プロセスも同様に機能しますが、1 本のレーザービームを堆積ヘッドの中心から入射させる代わりに、ヘッドの中心軸の周りに均等に分散された複数のファイバー結合ダイオードレーザーソースを使用します。これにより、中心パスが固体充填材用として解放され、通常の MIG ワイヤの一方向処理が可能になります。当社の堆積ヘッドには、ワイヤー穴の周りに円錐形の粉末ノズルも備わっています。この方法では、従来のレーザークラッディングヘッドと比較して機能の損失はありません。さらに、ワイヤと粉末を同時に堆積させて、2 つの成分の新しい合金を形成することもできます。

堆積ワイヤ:

今日の業界では、単一の高出力レーザー源を使用して実現する方が簡単なため、粉末 LMD がワイヤ堆積よりも一般的です。ただし、粉末を加工することには多くの欠点があります。

粉末はワイヤよりもはるかに高価であり、LMD は通常、大量の材料を使用する中型から大型の部品の製造に使用されるため、これは問題となります。

さらに、ノズルから噴出された粉末のすべてが実際に溶融プールに捕捉されるわけではありません。フリーフォーム製造の場合、実際の粉末利用効率は 20 ～ 80% の範囲であり、部品の細かさとプロセスパラメータに大きく依存します。これは材料コストの観点からの問題であるだけでなく、エンジニアリングの観点からも問題です。粉末堆積ヘッドを、それ用に設計されていない工作機械に再取り付けすると、著しい摩耗が発生します。さらに、使用しなかった粉末は廃棄する必要があり、粉末状の物質が健康上のリスクをもたらす可能性があります。これに対し、使用済み電線の利用率は100％であり、電線原料には何ら危険はありません。

堆積粉末：

当社はフィラメント印刷を強く推奨していますが、粉末の方が適しているアプリケーションもいくつかあります。

非常に不規則な表面に材料を追加する場合、特定の部品をコーティングまたは修理するときにノズルから部品までの距離を正確に確保できない可能性がある場合は、粉末を選択する方がよいでしょう。

多くの合金はワイヤとして入手可能ですが、一部の特殊な材料は粉末の形でしか入手できない場合があります。

粉末堆積機能が有利なもう 1 つの理由は、当社のデジタル合金堆積ヘッドでは、堆積プロセス全体を通じて 2 つ以上の材料を異なる比率で混合できることです。興味深い中間点は、粉末とワイヤのデジタル合金化であり、これは現時点では当社の堆積システムでのみ可能です。

フィラメント印刷解像度:

フィラメントを使用する場合でも、Additec デポジションシステムの印刷解像度は優れています。実際、プロセスパラメータに応じて、フィラメントに最適な粉末印刷品質を一致させることも可能です。トラック幅は、高解像度印刷の場合はワイヤ径の約 1.5 倍、高速印刷の場合はワイヤ径の約 2.5 倍になります。層の高さはワイヤ直径の 0.3 倍から 0.5 倍の間で設定できます。デフォルトでは 0.6 ～ 1 mm のワイヤ径をサポートしています。ご要望に応じて、さまざまなノズルサイズをご用意できます。非常に高いアスペクト比のコンポーネントでも、非常に小さな断面で印刷できます。下の小さなスティックのサンプルをご覧ください（幅12mm x 高さ450mm）。

ワイヤ堆積によって達成される高品質に加えて、粉末堆積と比較して、オーバーハングに関してより複雑な形状の製造も可能になります。高い冷却速度により、信頼性の高いブリッジングが実現され、実質的に材料が空中に堆積されます。

これは設計における新たな自由度であり、より高性能な閉形状ジオメトリとより効果的なコンフォーマル冷却チャネルの製造を可能にします。

解像度を犠牲にして堆積速度と印刷速度を上げることも可能です。使用前に加工が必要な部品の場合に有利です。

アプリケーション<br /> レーザー金属堆積はさまざまな用途に適しています。

ニアネットシェイプ製造では、このプロセスを使用して、複雑な部品を最初から積層して作成します。金属 3D プリントまたはフリーフォーム製造とも呼ばれます。この部品製造方法により、設計の自由度が高まり、複雑な CNC プログラミングや時間のかかる鋳造が不要になります。さらに、複数の Additec 材料フィーダーを使用して、単一のコンポーネント内で異なる材料/合金を混合することも可能です。

レーザークラッディングは、既存のコンポーネントを保護層でコーティングします。ベースメタルの希釈度が低いため、当社のプロセスはそれに適しており、より薄いコーティングでベースメタルを効果的に保護できます。クラッディングプロセスは石油・ガス業界で一般的に使用されていますが、他の業界でも採用されるケースが増えています。

機能付加/ハイブリッド製造フライス盤または製造プロセスチェーンに統合すると、当社の堆積プロセスを使用して、通常は大量の在庫が必要であったり、単一部品として鋳造するのが難しいコンポーネントに機能を追加できます。

コンポーネントの修理高価なコンポーネントを完全に交換すると、コストがかかり、非効率的になる可能性があります。レーザー金属堆積により、歪みを最小限に抑えながら部品の摩耗部分を確実に再現する方法が導入されました。

材料：
Additec 堆積システムは、さまざまな材料を処理でき、通常は溶接可能な金属であればどれでも使用できます。ただし、プロセスチャンバーが不活性化されていない場合は、いくつかの制限があります。たとえば、アルミニウムとチタンは不活性処理チャンバーに貢献します。ただし、開放大気圧条件下で高反応性材料のストランド原料を使用すると、粉末を使用する場合よりも危険性がはるかに少なくなり、Additec から入手できる大型シールドガス拡散器を使用することで良好な結果が得られます。

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