金属3Dプリントの前身？超高速レーザークラッディング、崩壊を魔法に変える

レーザークラッディングは、金属粉末をレーザーで溶かして部品の表面に堆積させる技術です。金属3Dプリントは部品の表面ではなく、オブジェクトに最初から層を積み重ねるという点を除けば、金属3Dプリントの前身と言えます。

レーザークラッディング 3D プリント (レーザークラッディング成形とも呼ばれる) 技術では、金型は必要ありません。部品モデルは CAD ソフトウェアを使用して作成されます。コンピュータープログラミングの後、レーザービームがワークピース上でスキャンされ、ワークピース上の金属粉末が溶融され、層ごとに融合されて蓄積され、最終的に高密度の金属部品が形成されます。この技術により、金属部品をワンステップで形成することができ、インテリジェントなプロセス制御後に形成された高密度金属部品はほぼネットシェイプであり、その後の加工をほとんど必要とせず、真に迅速なクラッディング 3D プリント金属部品を実現します。

Antarctic Bearによると、北京新景河は金属3Dプリントの専門メーカーとして、高速レーザークラッディングの分野でも事業を展開しており、最近、新たなレーザークラッディング技術製品を発売した。

同社が提供するプロトタイプ部品は、製品開発・設計のコンセプトや性能テストのサンプルとして使用できるほか、機能部品として直接使用することもできます。レーザークラッディング成形技術は、製品開発から市場投入までの時間を大幅に短縮し、製品開発コストを大幅に削減できます。特に、製品の製造をより迅速、柔軟、パーソナライズ、多様化できます。新製品開発と単品小ロット生産において比類のない利点があり、ネットワーク製造を容易にし、経済のグローバル化の傾向にも沿っています。新しい自動車製造、医療、計装などの民生分野で高精度部品をより効率的に製造し、航空宇宙および軍事分野で高性能な特殊部品をよりよく製造できます。特に、従来は加工が極めて困難だった傾斜機能材料や超硬材料を製造でき、金属間化合物材料部品も迅速に製造できます。そのため、この技術は幅広い応用展望を持っています。

現在、レーザークラッディング 3D プリントで印刷された部品には、品質の安定性が低いなどの欠点がまだあり、ユーザーが要求する精度や粗さを満たすことができず、部品のさらなる加工が必要になります。そのため、この技術の制限により、生産へのより適切な適用が妨げられています。部品の品質安定性が悪い原因は、部品の製造工程で一部のプロセスパラメータが変動し、部品の一部に形成されるクラッド領域の形状とサイズが期待どおりにならないこと、また、クラッドの進行中に形成された欠陥も拡大し、突起はさらに突出し、陥没部分はさらに陥没し、厚い部分はさらに厚くなり、薄い部分はさらに薄くなることです。こうなると、部品の粗さや精度が期待に応えられなくなり、最悪の場合、部品を成形できなくなることもあります。

レーザークラッディングとは、選択したコーティング材料をさまざまな方法でクラッディング基材の表面に配置し、レーザーを照射してコーティング材料と基材表面の薄い層を同時に溶融し、その後急速に凝固させて、希釈度が極めて低く、基材と冶金的に結合した表面コーティングを形成するプロセスを指します。これにより、基材表面の耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性、耐酸化性、および電気特性が大幅に向上し、表面改質または修復の目的が達成され、材料表面の特定の性能要件を満たすだけでなく、大量の貴金属を節約できます。

レーザークラッディングは、表面処理、スプレー、電気メッキ、蒸着などと比較して、希釈度が低く、構造が緻密で、コーティングと基材の接着性が良好で、多くのクラッディング材料に適しており、粒子のサイズと含有量のバリエーションが大きいなどの特徴があります。そのため、レーザークラッディング技術の応用展望は非常に広いです。

現在のレーザークラッディングの用途としては、主に次の 3 つの側面が挙げられます。

1. タービンブレード、ローラー、ギアなどの材料の表面改質。

2つ目は、ローターや金型などの製品の表面補修です。関連データによると、修理された部品の強度は元の強度の90％以上に達し、修理コストは交換価格の1/5以下です。さらに重要なのは、メンテナンス時間を短縮し、大企業の主要設備の継続的かつ信頼性の高い運用のために解決しなければならない回転部品の迅速な修理の問題を解決します。さらに、主要部品の表面を超耐摩耗性、耐腐食性合金でレーザークラッディングすることで、部品表面の変形がなく、部品の耐用年数を大幅に向上させることができます。金型表面のレーザークラッディング処理により、金型の強度が向上するだけでなく、製造コストを 2/3 削減し、製造サイクルを 4/5 短縮することができます。

3. ラピッドプロトタイピング。このモデルは、金属粉末を層ごとに焼結して積み重ねることで迅速に製造されます。レーザークラッディング技術を用いて部品を高速に製造する技術は、LENS（Laser Engineered Net Shaping）、DLF（Direct Laser Fabrication）、DMD（Direct Metal Deposition）、LC（Laser Consolidation）などとも呼ばれます。

クラッディング材料：現在、最も広く使用されているレーザークラッディング材料には、ニッケルベース、コバルトベース、鉄ベースの合金、タングステンカーバイド複合材料、セラミックスなどの材料が含まれます。なかでもニッケル系材料が最も広く使用されており、価格はコバルト系材料よりも安価です。

業界で一般的に使用されているクラッディング、熱溶射、プラズマ溶射と比較して、レーザークラッディングには次の利点があります。
基材とクラッド層との接合強度が高く、熱影響部が小さく、クラッド層と基材の粒子が細かく効率的で、高価な材料を節約でき、傾斜機能材料を準備でき、レーザークラッディング技術は制御性が良く、自動制御を実現しやすく、クラッド品質が安定しています。
超高速クラッディング技術は、同期粉末供給方式を採用し、高エネルギー密度ビームを使用して、添加材料と高速移動する母材の表面を同時に溶融し、その後急速に凝固して、希釈率が極めて低く、母材と冶金結合したクラッディング層を形成します。これにより、クラッディング速度が大幅に向上し、母材表面の耐摩耗性、耐腐食性、耐熱性、耐酸化性などのプロセス特性が大幅に向上します。

電力、航空、宇宙、兵器、原子力、自動車製造などの分野で性能向上が求められる部品に適しています。ワークピースの作業条件要件に応じて、さまざまな設計部品の金属または非金属をクラッドして、耐熱性、耐摩耗性、耐腐食性、耐酸化性、耐疲労性、または光学的、電気的、磁気的特性を持つ表面コーティングを準備します。

超高速レーザークラッディング技術は、経済的利益の高い新技術です。金属基板の特性に影響を与えずに高性能の合金表面を金属基板上に準備し、コストを削減し、貴重な希少金属材料を節約できます。そのため、世界のすべての工業先進国は、レーザークラッディング技術の研究と応用を非常に重視しています。

クラッディング工程：レーザークラッディングは、クラッディング材料の供給方法によって、プリセットレーザークラッディングと同期レーザークラッディングの2つのカテゴリに大別されます。
事前配置レーザークラッディングは、クラッディング材料を基材の表面のクラッディング領域に事前に配置してから、レーザービーム照射スキャンを使用してそれを溶融する方法です。クラッディング材料は、粉末、ワイヤ、またはプレートの形で追加されますが、その中で粉末が最も一般的に使用されます。

同期レーザークラッディングは、クラッディング材料をレーザービーム内に直接供給し、供給とクラッディングが同時に完了するようにします。被覆材は主に粉末の形で供給されますが、ワイヤやプレートを使用して同期的に供給されるものもあります。

プリセットレーザークラッディングの主なプロセスフローは、基材クラッディング表面の前処理---プリセットクラッディング材料---予熱---レーザー溶融---後熱処理です。
同期レーザークラッディングの主なプロセスフローは、基材クラッディング表面の前処理---レーザー溶融の供給---後熱処理です。
プロセスフローによれば、レーザークラッディングに関連するプロセスは、主に基板表面前処理方法、クラッディング材料供給方法、予熱および後熱処理である。

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