より安く、より早く?シェフィールド大学はレーザーアレイを使用して金属粉末を加工する

より安く、より早く?シェフィールド大学はレーザーアレイを使用して金属粉末を加工する
この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-28 17:33 に最後に編集されました。

シェフィールド大学の研究者らによると、同大学はガルバノメータの代わりにエネルギー効率の高いダイオードレーザーアレイを使用し、より高速で経済的な部品処理結果を実現する新しい3Dプリント/付加製造プロセスを開発したとのこと。同大学は、このプロセスが部品の製造方法を変えると確信している。


我々がよく知る粉末材料のレーザー溶融は、粉末材料をレーザーで溶かして金属やプラスチック部品を製造する、航空宇宙や自動車などの高付加価値分野での利用が広がっています。粉末を溶かすには、十分なレーザーエネルギーを材料に伝達して中心部の粉末を溶かし、完全に密度の高い部品を作成する必要がありますが、同時に熱はレーザースポットの周囲を超えて伝導され、周囲の粉末に影響を与えます。したがって、最小製造サイズは一般にレーザースポットよりも大きく、レーザースポットを超えた焼結量は粉末の熱伝導率とレーザーのエネルギーに依存します。

溶融プール上の拡散レーザーエネルギーとレーザースキャン速度は、一貫した金属合金特性と層の厚さを実現するために慎重に調整および制御されます。 3D Science Valley によれば、レーザー ビームの焦点合わせが、溶解プロセス中の合金の性能に影響を与える鍵となります。一貫したプロセスを実現するには、レーザー スポット サイズを制御する必要がありますが、そのためには、レーザー エネルギー密度と隣接する粉末に伝達されるエネルギーが一貫している必要があります。

現在の粉末床レーザー溶融プロセスでは、焦点が合っていないと溶融ゾーン外の材料にエネルギーが伝達され、粉末の溶融が不十分になり、完成品の寸法誤差や表面仕上げ不良につながる可能性があるため、明確に焦点を合わせたビームを得るためにガルバノメータが使用されます。焦点スポットサイズが大幅に大きくなると、完成した部品に不完全に溶融した粉末が大量に含まれ、材料特性の制御が困難になる可能性があります。

したがって、ガルバノメータは精密加工を実現するための重要なコンポーネントであるというのが、業界で長年認識されてきた共通認識です。市場で一般的な処理技術とは異なり、シェフィールド大学はガルバノメータを廃止しようとしました。シェフィールド大学によれば、このプロセスは「ダイオードエリアメルティング」と呼ばれ、個々のレーザーダイオードのアレイを並列に使用することで、これらのレーザービームのオン/オフを切り替えることができ、この方法の速度とエネルギー効率が向上するという。

電子電気工学部のクリスティアン・グルーム博士は次のように語っています。「私たちの研究は、低出力ダイオードでは低出力とビーム品質の悪さのため粉末材料を十分に溶融できないという、業界で長年信じられてきた考えに異を唱えるものです。ダイオードエリア溶融技術の重要なプロセスは、短波長レーザーアレイ(808nm)を動かし、吸収のコリメーション効果を高め、ビームを数ミリ秒で融点1400℃に達するように焦点を合わせ、高密度部品を製造することです。この方法は、17-4ステンレス鋼部品の処理に使用できます。」

機械工学部のグルーム博士とカムラン・ムムタズ博士は、この技術をプラスチック製品の加工にまで拡張することを計画しています。研究チームは、この装置が将来的にはマルチマテリアル処理システムに拡張される可能性があると考えている。この研究は工学物理科学研究評議会(EPSRC)の支援を受けて行われた。

シェフィールド大学によるこの研究の商業的価値は何ですか? 3D Science Valleyは引き続き追跡調査と観察を行う必要がある。ガルバノメーターを廃止する試みについては、3D Science Valleyによると、ドイツのフラウンホーファー研究所が中小企業向けに以前リリースした、わずか3万ユーロのエントリーレベルのSLM 3Dプリンターにもガルバノメーターが搭載されていない。

フラウンホーファーの装置は 140 W のレーザー ダイオードを搭載し、焦点スポットの直径は 250 マイクロメートルで、直交座標系を使用します。この機械は、高さ最大 90 mm、最大直径 80 mm の金属部品を製造できます。この装置は見た目が非常にコンパクトで、占有面積はわずか 1.3×0.8×1.4 メートルです。同研究所は印刷速度と品質を調整することで、密度99.5%を超える中型のステンレス鋼部品の印刷にも挑戦し、12時間で印刷することができた。

ただし、フラウンホーファーの装置にはレーザーダイオードアレイは含まれていないようです。また、短波長レーザーには一般的に390nmから950nmの発光波長を持つもの、長波長レーザーには980nmから1550nmの発光波長を持つものが含まれます。シェフィールド大学が金属粉末の加工に短波長レーザーアレイ(808nm)を選んだのは独創的な試みと言えるでしょう。

出典: 3D Science Valley 詳しい情報:
シェフィールド大学とボーイングが3Dプリントドローンの設計で提携

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