[乾物] LENS と SLM 金属 3D プリント技術の原理と溶融池の形態の比較

著者: 三部族のガオ氏

高性能金属部品のレーザー積層造形技術は、複雑な成形構造、高い成形精度、優れた成形性能などの特徴を備えており、複雑な精密金属部品や大型の主要荷重支持金属部品の一括一体成形に最も有望な応用技術の一つです。鋳造、鍛造、溶接、機械加工などの従来の加工方法に有益な補足となるだけでなく、新たな金属部品製造モデルを開拓し、重要な戦略的研究意義を持っています。現在、高性能金属部品のレーザー積層造形には、同期粉末供給に基づくレーザークラッディング堆積技術LENS（Laser Engineered Net Shaping）と、粉末拡散に基づく選択的レーザー溶融技術SLM（Selective Laser Melting）の2つの代表的な方法があります。

LENS の原理の紹介まず、2 つの技術の原理を簡単に説明します。LENS の焦点を絞ったレーザービームは、事前に設定されたパスに沿って制御されて移動します。移動中に、粉末ノズルは金属粉末を固体基板上のレーザースポットによって形成された溶融池に直接送り込み、点から線へ、線から表面へと順に凝固させ、層セクションの印刷を完了します。このようにレイヤーを積み重ねることで、ほぼネットシェイプのコンポーネントエンティティが生成されます。

SLM 原理の紹介
SLM 技術の成形原理は、スクレーパーで基板上に金属粉末の層を広げ、走査型ガルバノメータの制御下でレーザー光線を特定の経路に沿って急速に照射して粉末を溶融・固化させ、冶金クラッド層を形成することです。次に、基板を堆積層の単層の厚さと同じ高さまで下げ、別の粉末層を広げてレーザースキャン処理します。このプロセスは、部品全体が形成されるまで繰り返されます。

成形方法とプロセスパラメータの違いにより、上記 2 つの技術は、溶融池の形態、冷却速度、凝固構造、機械的特性など、いくつかの材料成形の基本において大きな違いがあります。

溶融池形態の比較
LENSとSLMの異なるプロセス条件下では、溶融池の形態とサイズがまったく異なり、熱伝導モードと熱影響効果も異なり、最終的には合金の構造と特性に影響を与えます。マイクロスポットSLMプロセスと大スポットLENSプロセスの冷却速度の差は最大4桁に達することがあります。冷却速度は粒子のサイズを決定します。2つのプロセスの格子の平均体積はエネルギー入力の増加とともに増加しますが、結晶柱のサイズは冷却速度によって異なる傾向があります。

LENS成形プロセスでは、柱状結晶のサイズは冷却速度と線形関係を満たしますが、SLMプロセスでは、柱状結晶のサイズは冷却速度の平方根の逆数と3次関数関係にあり、これは従来の理論と一致しません。また、溶融池の放熱方向が一方向性であるため、LENSプロセスではSLMプロセスよりも粗い柱状結晶構造を形成しやすくなります。

溶融池は溶融池形成過程における最小の基本単位であり、溶融池特性の安定性は、加工工程全体の安定性、さらには成形部品の最終的な微細構造性能を保証するものである。SLM成形工程では、スポット径がサブミリメートルであり、単層の厚さが比較的薄いため、溶融池の体積が小さく、溶融池の形態、特に溶融池の深さ比は「ピンホール効果」を示す。

大スポットLENSプロセス成形では、一般的に高出力と大スポットを使用します。溶融池の容積は大きくなりますが、溶融池の深さは比較的小さく、溶融池の浸透深さは比較的浅く、この点はSLMとはまったく異なります。

下の図は、異なるプロセスにおける溶融池の縦断面の形態を示しています。

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