グリーンレーザー対電子ビーム：銅金属3Dプリント技術の利点と市場展望

金属 3D 印刷の分野では、グリーンレーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 技術が台頭しています。Antarctic Bear では、この技術を詳しく理解し、エネルギー密度、印刷効率、プロセス安定性、コスト管理などの重要な側面を網羅しながら、従来の電子ビームスポット印刷技術と総合的に比較します。

ADDIREEN は、グリーンレーザー金属積層造形に注力する企業として、独自に開発した高出力シングルモードファイバーグリーンレーザーをベースにしたグリーンレーザー粉末床溶融結合 (GL-PBF) 装置を初めて発売しました。

1. グリーンレーザー 3D プリント技術 Xihe Additiveは、独自に開発した緑色光レーザーをベースにしたGL-PBF装置を発売しました。この装置は、純銅や銅合金などの高反射金属の印刷工程でよくある密度不足、ひどい飛散、低効率、低精度の問題を効果的に解決し、従来の赤外線レーザーに比べて独自の利点を示しています。既存の電子ビームスポット印刷技術と比較して、グリーンレーザーは、同じ条件下でより高いエネルギー密度、印刷効率、安定性を実現するだけでなく、優れた微細構造印刷機能も備えています。さらに、設備コストがより競争力があるため、高精度で大規模な金属印刷の分野で明らかな利点があります。

1.1 材料の吸収特性 図に示すように、緑色レーザーに対する銅材料の吸収率は、赤外線レーザーに対する吸収率よりもはるかに高くなっています。この利点により、純銅、銅合金、金、プラチナなどの高反射金属や高融点金属材料は、緑色レーザー溶解プロセスでより効率的になり、金属印刷の品質と効率が保証されます。
(写真出典: www.addireen.com)
1.2 レーザーと印刷品質 Xihe Additive の高出力シングルモードファイバーグリーンレーザーは、波長が短く、ビーム品質が高く、焦点が小さいという利点があります。この緑色レーザーをベースにした LPBF 装置は、金属積層造形プロセスにおいて成形効率が高く、細部まで精細に仕上げられるだけでなく、プロセスウィンドウも広く、反射率の高い金属や耐火金属の加工に最適です。同時に、この装置は従来の金属材料に対して、より効率的でより微細な印刷の可能性も提供します。

1.3 機器とアプリケーションの実践 現在、Xihe Additiveが発売したグリーンレーザー金属3Dプリント装置（XH-M100G、M160G、M350G、M660G）は、印刷部品の密度が99.8%～99.9%、熱伝導率が390 W/m·Kに達し、純銅部品の高品質印刷を実現できます。さらに、グリーンレーザー装置を使用して印刷された放熱および熱交換部品は、壁厚0.5mmで8MPa以上の水圧に耐えることができ、TPMS放熱構造の最も薄い壁厚はわずか0.08mmです。これらの優れた技術指標は、航空宇宙、新エネルギー車、半導体放熱装置、誘導加熱コイル、高速通信装置など多くの分野で実証されています。

2. 緑色レーザーと電子ビームスポット印刷技術の比較

2.1 エネルギー密度高いエネルギー密度により、完全に安定した溶融プロセスが実現し、エネルギー不足による細部の損失や印刷の失敗を回避し、複雑な構造や高精度の部品のスムーズな成形を保証します。

Xihe AdditiveのXH-M160Gグリーンレーザー装置を例にとると、最小スポット径は0.02mmです。500Wレーザーを装備した場合、計算上のエネルギー密度は約1.6×10⁸J/cm2です。一方、電子ビーム技術のビームスポット径は通常0.2mm程度です。3kWの電子銃を使用した場合、エネルギー密度は約1×10⁷J/cm2と計算されます。

ここで、E はエネルギー密度、P はレーザー出力、A はスポット面積です。

わずか 1/6 の電力しか使用しない条件下では、緑色レーザー技術のエネルギー密度は電子ビーム技術の 16 倍であり、桁違いに高いことがわかります。

2.2 酸化制御 Xihe Additive のグリーンレーザー金属 3D 印刷装置は、すべて不活性ガス (アルゴン) 保護環境で印刷されます。この装置は作業室内の酸素含有量を 50ppm 以下に制御できるため、酸素を効果的に隔離し、酸化のリスクを軽減できます。同時に、純度最大99.95％、酸素含有量20ppm未満の高性能純銅粉末材料を使用することで、発生源からの酸化をさらに防ぎます。

この条件では、酸化に対して極めて敏感な材料であっても、印刷工程中に安定した成形品質を維持でき、部品表面の黒化や性能低下などの問題を回避できます。したがって、酸化の影響はほとんど無視できます。

2.3 純銅の印刷密度 純銅印刷の分野では、Xihe Additive は 99.8% ～ 99.9% の高密度の安定した大量生産を実現しており、その性能は従来の印刷プロセスよりも大幅に優れています。 2024年10月、上海交通大学の研究チームは、西和添加剤の緑色レーザー印刷装置XH-M160Gの協力を得て、高品質の純銅部品の製造に成功しました。相対密度は99.9％を超え、IACS導電率は98％以上に達しました。
（画像出典：https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2024.118615）
2.4 基板の予熱と成形安定性 Xihe Additive Green Laser 装置は基板予熱機能を備えており、0 ～ 200°C の温度調整をサポートします。溶融池と基板の温度差を効果的に低減し、熱応力の蓄積を軽減し、印刷中に純銅や銅合金などの高熱伝導性材料の割れを回避します。

さらに、同社は特殊材料の印刷プロセスをさらに最適化するために、より高い温度をサポートする予熱技術も開発しています。現在、Xihe Additive のグリーンレーザー粉末床溶融結合装置の全モデルは、印刷に適切なプロセスパラメータを使用しており、銅ベースの材料の印刷では部品の割れの問題は発生せず、グリーンレーザー印刷装置の安定性とプロセス信頼性が完全に検証されています。

2.5 印刷プロセス Xihe Additive Green Laser Printing Equipment は、銅含有量が 95% を超えるさまざまな銅合金印刷プロセスの開発に成功しました。現在、この装置は40〜60μmの層厚で安定した印刷を実現しており、印刷工程中の高い生産効率と優れた印刷品質を確保しています。同時に、一部の銅合金材料は最大 80μm の層厚での印刷をサポートしており、印刷速度がさらに向上するだけでなく、さまざまな産業用途に対してより柔軟なプロセスオプションを提供し、さまざまな複雑な部品の製造ニーズを満たします。

2.6 表面粗さと詳細精度 ビームスポットサイズや粉末粒子サイズなどの要因の影響を受け、電子ビーム技術の従来の印刷精度は約0.2〜0.3 mmで、部品の表面粗さ（Ra）は比較的高く、粉末積層プロセスと比較した部品の細部における性能の違いは業界のコンセンサスとなっています。

粉末積層 LPBF 技術では、通常、約 0.1 mm の印刷精度を実現できます。純銅や銅合金を印刷する場合、Xihe 添加緑色レーザー装置の精度は 0.1 mm 以下に制御でき、0.05 mm に達するものもあります。さらに、同社は純銅の最小壁厚0.08mm、最小穴径0.2mm、表面粗さ（Ra）2～6μmという究極のプロセスも実現しました。グリーンレーザー技術は微細加工と優れた表面品質を実現する能力があり、精密部品の製造に信頼性の高い保証を提供することがわかります。

3. 総合的な分析と市場の選択
3.1 設備と粉末のコスト 現在市場では、同じサイズの電子ビーム装置の価格は、一般的に緑色レーザー装置よりも高くなっています。ただし、設備コストはコスト管理や市場でのポジショニングなど多くの要因によって左右されるため、両者の設備価格を一般化することは困難です。

粉末コストに関しては、純銅および銅合金粉末の価格は主に生産能力、原材料コスト、粉末製造プロセス、粉末粒子サイズなどの要因によって決まります。 Xihe 添加型緑色レーザー装置の一般的な粉末粒子サイズの仕様には、5 ～ 25 μm、15 ～ 38 μm、15 ～ 53 μm が含まれます。対照的に、電子ビーム技術は粗い粉末粒子サイズに適しているため、粉末コストは比較的低くなります。しかし、一般的に、異なる技術ルートには粉末の性能と粒子サイズに対する要件が異なり、粉末のコストは特定のプロセス要件と組み合わせて総合的に評価する必要があります。

3.2 今後の展望 一般的に、金属 3D 印刷技術のルートは多様であり、各プロセスは印刷精度、材料の適応性、生産効率、コストの点で独自の特徴を持っています。最終的な選択は、ユーザーのニーズと市場のフィードバックによって決まります。粉末積層 LPBF 技術は、優れた印刷精度、強力な材料適応性、幅広い応用シナリオを備えており、特に航空宇宙、工業製造などの市場において、金属積層造形の分野で支配的な地位を占めています。

将来、技術が進歩し、市場の需要がますます多様化するにつれて、より複雑な製造ニーズを満たすために、さまざまな印刷プロセスが最適化され、アップグレードされ続けるでしょう。 Xihe Additive は、グリーンレーザー金属 3D プリント技術の開発を継続し、機器の性能向上とプロセスの蓄積を通じて、より多くの材料の応用範囲を拡大し、金属積層造形のためのより効率的で信頼性の高いソリューションを提供していきます。

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