レーザー積層造形プロセスにおける温度と溶融池のモニタリングに関する研究

近年、各国から大きな注目を集めている3Dプリンティングは、金型やワークピースを必要とせず、コンピューターの3次元モデルに基づいて層ごとにレーザー溶融することで、複雑な部品を直接ニアネットシェイプで形成することができます。この技術は、製造サイクルが短い、材料利用率が高い、プロセスの柔軟性に優れているなどの独自の利点があり、製造業に大きな影響を与え、工業生産、航空宇宙、医療など多くの分野で幅広く重要な用途があります。しかし、多くの技術的課題が、レーザー積層造形技術の広範な応用とその大きな可能性を妨げています。最大の障害の1つは、最終製品の品質検査であり、特に航空宇宙や医療分野など、製品品質に対する要求が非常に高い分野では、レーザー積層造形プロセスを監視および制御する必要があります。製造プロセスを監視することで、欠陥を減らし、製品の寸法精度と機械的特性を向上させ、最終的に製品品質の向上という目標を達成できます。

現在、国内外の多くの研究者がレーザープロセスモニタリングの研究を本格的に行っており、レーザー積層造形プロセスをモニタリングできるシステムを数多く開発しています。これらのシステムは、溶融池の物理的パラメータのオンライン検出、部品の欠陥の検出、フィードバック制御による欠陥の低減に重点を置いています。レーザー監視プロセスは、主にデータ取得とデータ処理の 2 つの部分に分かれています。データ収集は主に、溶融池の形態と溶融池の温度の 2 つの部分から構成されます。溶融池の形態は、通常、CCD カメラまたは赤外線カメラで取得され、溶融池の温度は、通常、フォトダイオードまたは高温計で測定されます。データ処理とは、測定されたデータを処理後にコントローラに送信するプロセスを指します。コントローラは、システムの動作パラメータを設定および更新し、システムの動作プロセスを効果的に制御して、製品の品質を向上させます。注目すべきは、コントローラが使用する制御方法には、従来の PID 制御、ファジー制御、ニューラルネットワーク制御などの人工知能制御など、さまざまな方法があることです。現在、最も成熟しているのは従来の PID 制御であり、現在の研究のホットスポットはさまざまな人工知能制御方法です。

以下に具体的な制御システムの作業工程と結果を紹介します。実験工程はレーザー金属堆積実験であり、制御を通じて製品の形状精度を向上させることを目的としています。図1はレーザー金属堆積実験プロセスの図です。実験を通じて、製品の寸法精度は製造プロセス中の熱放射信号と密接に関係していることがわかりました。熱放射信号が変化しない場合、溶融池のサイズは基本的に変化しません。溶融池のサイズが安定すると、製品形状の寸法精度が向上します。図 2 は、レーザー金属堆積モニタリングプロセスの図です。このプロセスでは、適応型 PID 制御方式が使用されています。測定された熱放射信号は適応型 PID コントローラに入力され、制御信号が出力されます。制御信号はレーザー送信機に作用し、レーザー出力を調整して、熱放射信号の強度を基本的に一定に保ちます。

溶融池の全体寸法と熱放射温度を図3と図4に示します。2つの図を比較すると、制御システムを使用するプロセスの熱放射信号は比較的安定しており、基本的に設定値2に維持され、対応する溶融池サイズも安定しており、溶融池間の最大と最小の差は0.1 mmであることがわかります。制御システムを使用しないプロセスの熱放射信号は増加し、対応する溶融池サイズが増加し、溶融池間の最大と最小の差は1.27 mmです。

製品のマクロ形態を図5と図6に示します。2つの図を比較すると、制御システムを使用した製品の表面がより滑らかになり、高さと幅がより均一になり、幅の変化が63.6％から12.5％に減少していることがはっきりとわかります。この適応制御システムは、製品の外観の精度を向上させるという目的を達成したことがわかります。

もちろん、これはレーザー監視プロセスの単なる 1 つの応用例にすぎません。製品の欠陥の削減、製品の疲労強度やさまざまな機械的特性の向上など、さまざまな目標のために、研究者はさまざまな制御システムと制御方法を提案してきました。

図5 制御システムなしの製品のマクロ形態図6 制御システム付き製品のマクロ形態現在の研究では、制御システムと製造プロセスの統合の複雑さ、測定ツールとセンサーの制限、リアルタイム制御の実現の難しさなどの要因により、多くのシステムが実際の工業生産プロセスにまだ適用されていないことが示されています。この研究はまだ開発段階にあります。近い将来、研究が継続的に深まるにつれて、レーザー積層造形モニタリング技術はより成熟して開発され、実際に適用されると考えられています。

出典: レーザー製造ネットワーク

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