LENSレーザーニアネットシェーピング技術：3Dプリントと従来の製造業の架け橋

本日は、LENS (レーザーニアネットシェーピング) テクノロジーをご紹介します。この技術の登場以来、傾斜材料や複雑な表面修復などの機能を実現できるため、業界から大きな支持を得ています。これらの利点により、LENS テクノロジーは大型デバイスの修理においてますます重要な役割を果たしており、従来の製造と 3D プリンティングの架け橋となっています。
LENS技術原理ニアネットシェイプ成形技術とは、部品を成形した後の加工がほとんど必要ないか、あるいは全く必要のない成形技術のことで、機械部品の成形技術として活用できます。レーザーエンジニアードネットシェーピング (LENS) は、レーザーを使用して堆積領域に溶融池を生成し、粉末またはフィラメント材料を連続的に溶かして層ごとに堆積させ、3 次元オブジェクトを生成します。 LENS技術は1990年代に米国のサンディア国立研究所で開発され、その後、米国のオプトメック社がLENS技術を商業的に開発し、普及させました。
LENS 技術は多くの大学や機関によって独自に研究されているため、この技術には多くの名前があります。 LENS技術はレーザー金属堆積（LMD）とも呼ばれ、米国ミシガン大学では直接金属堆積（DMD）、英国バーミンガム大学では直接レーザー加工（DLF）、中国西北工科大学の黄偉東教授はレーザー高速成形（LRF）と呼んでいます。米国材料試験協会 (ASTM) 規格では、この技術を金属直接堆積製造 (Directed Energy Depositioin、DED) 技術の一部として標準化しています。写真は物体の表面を修復するLENS技術を示しています。
LENSテクノロジーは表面を修復します
LENS 技術のプロセスでは、まずコンピューターが 3 次元 CAD モデルを一定の厚さに応じて層にスライスし、各層の 2 次元平面データを印刷装置の CNC テーブルの移動軌跡に変換します。高エネルギーレーザービームによりベースプレート上に溶融池が生成され、同時に金属粉末が溶融池に同期して供給され、急速に溶融・凝固するため、点から線へ、線から面へと順に凝固し、層断面の印刷が完了します。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。
LENS 技術は主に、ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル基合金など、比較的成熟した市販の金属合金粉末材料の印刷に使用されます。
LENS印刷プロセス
LENSの利点と技術的制限
LENS テクノロジーは、金属部品の金型レス製造を実現し、コストを節約し、生産サイクルを短縮します。同時に、この技術は、複雑な曲面部品の従来の製造工程に存在する、困難な切断、大量の材料除去、激しい工具摩耗などの一連の問題を解決します。 LENS技術は後処理を必要としない直接金属成形法であり、成形された部品は緻密な構造と高い機械的特性を有し、異種材料や傾斜材料による部品の製造を実現できます。
LENS 技術には、粉末材料の利用率が低い、成形プロセス中の高い熱応力、成形部品の割れやすい、成形部品の精度が低いなど、部品の品質や機械的特性に影響を及ぼす可能性のあるいくつかのボトルネックもありました。レーザースポットサイズや作業台の移動精度などの制限により、直接製造された機能部品の寸法精度や表面粗さが悪く、使用要件を満たすために後続の機械加工が必要になることがよくあります。
LENSアプリケーション
LENS技術は主に航空宇宙、自動車、造船などの分野で利用されており、航空機エンジンや大型ガスタービンのインペラブレード、軽量自動車部品の製造や修理に使用されています。 LENS テクノロジーは、摩耗または損傷したブレードを修理および再製造できるため、ブレードの製造コストを大幅に削減し、生産効率を向上させます。
LENS技術を用いたエンジンブレードの製造
LENS技術による損傷部品の修復
ドイツの OR Laser は、LENS 技術を使用してセンサー表面に硬質合金クラッディング層を作成し、石油およびガス業界のセンサー要素に信頼性の高い保護を提供し、センサーの寿命を大幅に延ばします。この方法により、熱の浸透を抑えながら材料を正確に堆積することができ、最終的には図に示すように、歪みやひび割れのないセンサーコーティングが実現します。
センサー表面に硬質合金クラッド層を製造する（画像提供：3D Science Valley）

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