5つの金属3Dプリント技術の詳細な比較

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-2-13 12:05 に最後に編集されました。

3Dプリント技術は、伝統的な生産方法やライフスタイルを急速に変えつつあり、戦略的な新興産業として、米国やドイツなどの先進国はこの技術を非常に重視し、積極的に推進しています。もちろん、中国の3Dプリント技術も絶えず発展している。2017年のダボス会議で、中国国家主席は「時代の責任を共有し、世界の発展を促進する」と題した基調演説の中で、3Dプリントや人工知能などの新技術は絶えず登場しているが、まだ新たな経済成長点を形成していないと述べた。多くの専門家は、デジタル化、ネットワーク化、パーソナライゼーション、カスタマイズを特徴とする3Dプリント技術に代表される新しい製造技術が第3次産業革命を促進すると考えています。金属部品の 3D プリント技術は、3D プリントシステム全体の中で最も最先端かつ有望な技術であり、先進製造技術の重要な発展方向です。科学技術の発展と推進・応用の需要に伴い、ラピッドプロトタイピングによる金属機能部品の直接製造がラピッドプロトタイピングの主な発展方向となっています。現在、金属機能部品を直接製造するために使用できるラピッドプロトタイピング方法には、主に、選択的レーザー焼結 (SLS) 技術、直接金属レーザー焼結 (DMLS)、選択的レーザー溶融 (SLM) 技術、レーザーエンジニアリングネットシェーピング (LENS) 技術、電子ビーム選択溶融 (EBSM)技術などがあります。
海外では金属部品の3Dプリント技術に関する理論とプロセスの研究が比較的早くから始まっていました。我が国は、欧米の強国に比べて技術面で遅れをとっていますが、国内技術の長年にわたる継続的な蓄積を経て、一部のメーカーも独自の商品化された金属3Dプリンターを発売しています。Antarctic Bearは以前、国内外の金属3Dプリンターメーカーの調査を実施しました。
目録: 世界の金属 3D プリント企業とコアテクノロジー
国内外の3D金属プリント企業まとめ 次に、Antarctic Bear は、金属機能部品を直接製造するラピッドプロトタイピングの主な手法をまとめました。

選択的レーザー焼結（SLS）
選択的レーザー焼結（SLS）技術は、1989年にテキサス大学オースティン校のカール・デッカードが修士論文で初めて提案しました。名前が示すように、選択的レーザー焼結で採用されている冶金メカニズムは液相焼結メカニズムです。成形プロセス中、粉末材料は部分的に溶融し、粉末粒子は固体コアを保持します。その後、固相粒子の再配置と液相凝固結合により、粉末が緻密化されます。 1992 年、アメリカの DTM 社がこのプロセス用の商用生産装置 SinterSation を発売しました。ドイツのEOS社もこの分野で多くの研究を行い、対応する成形装置シリーズを開発しました。華中科技大学、南京航空航天大学、西北工業大学、中国北方大学、北京龍源自動成型有限公司など、多くの国内機関がSLSに関する関連研究を実施し、大きな成果を上げています。

SLS技術の原理と特徴 プロセス装置全体は、粉末シリンダーと成形シリンダーで構成されています。作業粉末シリンダーピストン（粉末供給ピストン）が上昇し、粉末散布ローラーが成形シリンダーピストン（作業ピストン）上に粉末の層を均一に散布します。コンピューターは、プロトタイプのスライスモデルに従ってレーザービームの2次元スキャン軌道を制御し、固体粉末材料を選択的に焼結して部品の層を形成します。 1 つの層が完了すると、作動ピストンが 1 層の厚さだけ下降し、粉末散布システムが新しい粉末を散布し、レーザービームが制御されて新しい層をスキャンして焼結します。このサイクルは、3 次元の部品が形成されるまで、層ごとに繰り返されます。
SLSプロセスは半固体液相焼結メカニズムを採用しており、粉末は完全には溶融しません。成形材料に蓄積された熱応力をある程度軽減できますが、成形部品には溶融していない固相粒子が含まれており、多孔度が高く、密度が低く、引張強度が悪く、表面粗さが大きいなどのプロセス欠陥に直接つながります。SLS半固体成形システムでは、通常、固液混合システムの粘度が高く、溶融材料の流動性が悪く、SLSラピッドプロトタイピングプロセス特有の冶金欠陥である「球状化」効果が発生します。球状化現象は、成形部品の表面粗さを増大させるだけでなく、粉末塗布装置が後続の粉末層を焼結層の表面に均一に塗布することを困難にし、SLS プロセスの円滑な進行を妨げます。

焼結部品は強度が低いため、後処理を行って強度を高める必要があります。また、製造された立体部品は、一般的に強度が低い、精度が低い、表面品質が悪いなどの問題があります。 SLS の初期の頃は、他のより成熟したラピッドプロトタイピング方法と比較して、選択的レーザー焼結法には、成形材料の選択範囲が広く、成形プロセスが比較的簡単 (サポートが不要) という利点がありました。しかし、成形工程におけるエネルギー源はレーザーであるため、レーザーを使用すると成形設備のコストが比較的高くなります。2000 年以降、レーザー急速成形設備が急速に進歩したため (先進的な高エネルギーファイバーレーザーの使用、粉末の敷設精度の向上などにより明らか)、粉末を完全に溶融するという冶金メカニズムが金属部品のレーザー急速成形に使用されています。選択的レーザー焼結法 (SLS) は、同様のより高度な技術に置き換えられました。

ダイレクトメタルレーザー構造化（DMLS）
SLS による金属部品の製造には通常 2 つの方法があります。1 つは間接法、つまりポリマーコーティングされた金属粉末の SLS です。もう 1 つは直接法、つまり直接金属粉末レーザー焼結 (Direct Metal Laser Sintering、DMLS) です。 1991 年にルーヴネの Chatofci 大学で金属粉末の直接レーザー焼結が実施されて以来、金属粉末を直接焼結して 3 次元部品を形成する SLS プロセスの使用は、ラピッドプロトタイピングの究極の目標の 1 つとなっています。間接 SLS 技術と比較した場合、DMLS プロセスの主な利点は、高価で時間のかかる前処理および後処理のプロセス手順が不要になることです。

直接金属レーザー焼結（DMLS）の特徴
SLS テクノロジーの分野として、DMLS テクノロジーは基本的に同じ原理を持っています。しかし、最終分析では、DMLS技術を使用して複雑な形状を備えた金属部品を正確に形成することが非常に困難です。溶融金属表面と周囲の培地は、溶融の最小自由エネルギーを備えています。したがって、焼結の多数の毛穴があります。

単一成分金属粉末 DMLS における「球状化」現象、およびそれに伴う焼結変形や密度低下などのプロセス欠陥を克服するには、通常、融点の異なる多成分金属粉末を使用するか、事前に合金化された粉末を使用します。多成分金属粉末システムは、一般的に高融点金属、低融点金属、および特定の添加元素の混合物で構成されています。高融点金属粉末はスケルトン金属として機能し、DMLS 内で固体コアを保持できます。低融点金属粉末は結合金属として機能し、DMLS 内で溶融して液相を形成します。生成された液相は固体金属粒子を覆い、濡らし、結合することで、焼結の緻密化を実現します。

直接金属レーザー焼結法（DMLS）の問題点
DMLS技術はSLS技術の重要な分野として、現在も継続的な開発と改善の過程にあります。焼結の物理的プロセスと焼結緻密化のメカニズムはまだ不明です。異なる金属粉末システムのレーザー焼結プロセスパラメータはまだ探求する必要があり、特殊粉末の研究開発はまだ突破されていません。そのため、金属粉末の直接レーザー焼結プロセスの数学的および物理的モデルを確立し、DMLS焼結緻密化プロセス中の焼結挙動と組織構造の変化を定量的に研究することは、粉末冶金科学および工学の研究における重要な内容の1つになっています。 DMLS では、金属粉末の物理的特性が焼結品質に非常に重要な影響を及ぼします。同じプロセスパラメータの下でも、異なる粉末システムの焼結効果は大きく異なることがよくあります。粉体システムの物理的特性を把握し、それに対して最も最適化されたプロセスパラメータを選択することは、DMLS の最も基本的かつ重要な要件です。多くの研究により、DMLS の品質に影響を与える 3 つの主要な物理的パラメータは、焼結特性、広がり特性、安定性であることが示されています。

選択的レーザー溶融（SLM）
SLMのアイデアは、1995年にドイツのフラウンホーファー研究所によって初めて提案されました。2002年に、同研究所はSLM技術の研究で大きな成功を収めました。世界初の SLM 装置は、2003 年末に英国 MCP グループのドイツ MCP-HEK 支社によって発売されました。完全に高密度のレーザー成形部品を得るために、また 2000 年以降のレーザー急速成形装置の大きな進歩 (高度な高エネルギーファイバーレーザーの使用、粉末の配置精度の向上などに表れる) の恩恵も受けて、粉末の完全溶融という冶金メカニズムが金属部品のレーザー急速成形に使用されています。例えば、ドイツの有名なラピッドプロトタイピング会社である EOS は、世界で最も早く金属粉末レーザー焼結を開発した専門会社の 1 つです。同社は主に SLS 金属粉末、プロセス、および装置の研究開発に従事しています。同社が新たに開発したEOSINTM270/280装置は、引き続き「焼結」という名称を使用していますが、200Wファイバーレーザーを搭載し、完全溶融冶金機構を使用して金属部品を成形するため、成形性能が大幅に向上しています。現在、SLS技術の延長として、SLM技術がドイツやイギリスなどのヨーロッパ諸国で急成長しています。「選択的レーザー焼結法（SLS）」という用語は今でも使用されていますが、実際に採用されている成形メカニズムは、粉末の完全溶融メカニズムに変わりました。

選択的レーザー溶融の原理
SLM 技術は SLS に基づいて開発されており、両者の基本原理は似ています。 SLM 技術では、金属粉末を完全に溶融して金属部品を直接形成する必要があります。そのため、高出力密度のレーザーが必要です。レーザービームがスキャンを開始する前に、水平パウダーローラーがまず処理チャンバー内の基板上に金属粉末を広げます。次に、レーザービームは現在の層の輪郭情報に従って基板上の粉末を選択的に溶かし、現在の層の輪郭を加工します。次に、リフティングシステムを層の厚さに等しい距離だけ下げ、ローリングパウダーローラーが加工された現在の層に金属粉末を広げます。次に、装置は次の層を加工のために移送し、このプロセスは部品全体が完成するまで層ごとに繰り返されます。金属が高温で他のガスと反応するのを防ぐため、処理プロセス全体は真空またはガス保護された処理チャンバー内で実行されます。 SLM と DMLS の境界は現在非常に曖昧で、違いは明らかではありません。DMLS 技術は金属焼結と訳されますが、実際の成形プロセスでは金属粉末が完全に溶融することがよくあります。 DMLS 技術で使用される材料はすべて、異なる金属の混合物です。焼結 (溶解) プロセス中に各成分が相互に補完し合うため、製造精度が確保されます。 SLM 技術で使用される材料は主に単一成分の粉末です。レーザービームは金属粉末を急速に溶かし、連続した走査線を取得します。

選択的レーザー溶融技術の開発課題 レーザー選択成形部品のうち、Fe 基合金（主に鋼）の SLM 成形に関する研究は数多く行われていますが、SLM 成形プロセスは依然として最適化する必要があり、成形性能をさらに向上させる必要があります。SLM 成形性能（特に基本となる密度）については、SLM で成形された鋼部品の完全な密度を達成することは通常困難です。鉄鋼材料の SLM 成形における緻密化問題を解決することは、ラピッドプロトタイピング研究における重要なボトルネック問題です。鋼材のレーザー成形の難しさは、主に鋼材の主成分の化学的性質によって決まります。マトリックス元素の Fe と合金元素の Cr は酸素との親和性が強く、従来の粉末加工やレーザー成形の条件下では酸化を完全に回避することは困難です。そのため、SLM プロセス中に、鋼溶融物の表面に酸化物などの汚染層が存在すると、濡れ性が大幅に低下し、レーザー溶融特有の冶金欠陥の球状化効果と凝固微小亀裂が発生し、レーザー成形密度とそれに対応する機械的特性が大幅に低下します。一方、鋼中の C 含有量は、レーザー成形の性能を決定するもう一つの重要な要素です。一般的に、C 含有量が高すぎるとレーザー成形性が損なわれます。C 含有量が増加すると、溶融表面の C 元素層の厚さも増加します。これは、濡れ性が低下し、溶融広がり性が低下し、球状化効果を引き起こす酸化層の悪影響と同様です。さらに、粒界に形成された複合炭化物により、レーザー成形された鋼部品の脆さが増します。したがって、鋼材のSLM成形では、通常、レーザーエネルギー密度とSLM成形温度を上昇させる必要があり、これにより炭化物の溶解が促進され、合金元素が均質化されます。

粉末材料と SLM プロセスの最適化により、次のことが可能になります。
1. 元の粉末材料とレーザー成形システム内の酸素含有量を厳密に制御し、濡れ性を向上させます。
2. 適切な液体粘度とそのレオロジー特性を得るために入力レーザーエネルギー密度を適切に制御すると、球状化効果と微小亀裂の形成を効果的に抑制し、ほぼ完全に緻密な構造を得ることができます。
Al合金に代表される軽合金部品のレーザー高速成形については、これまでの研究報告のほとんどがSLS半固体焼結成形メカニズムに基づいていましたが、球状化効果と多孔性欠陥が深刻であるため、研究はほとんど進んでいませんでした。SLM技術は、高性能で複雑な構造のAl合金部品のニアネット成形と高速製造に新たな技術的アプローチを提供することが期待されています。 Al ベース合金部品の SLM 成形は非常に困難であり、これは材料自体の特殊な物理的特性によって決まります。一方、低出力 CO2 レーザーでは、通常、Al 合金粉末を効果的に溶融することが困難であり、より高いエネルギー密度を持つ光ファイバーまたは Nd:YAG レーザーの使用が必要であり、レーザー性能に対する要件がより厳しくなることは間違いありません。一方、Al合金材料は熱伝導率が高く、SLM成形プロセス中にレーザーエネルギー入力が基板に沿ってまたは粉末床内で容易に伝達・消費され、レーザー溶融プールの温度が低下し、溶融粘度が増加し、流動性が低下します。そのため、マトリックス材料を効果的に濡らすことが難しく、SLM成形の球状化効果や内部気孔や亀裂などの欠陥につながります。第三に、成形技術の観点から見ると、Al合金材料は密度が低く、粉末の流動性が悪いです。

SLM/SLRM 成形メカニズムはレーザー成形部品の密度と表面仕上げをある程度向上させることができますが、成形プロセス中に粉末が完全に溶融/固化するため、固体-液体遷移プロセス中に明らかな収縮変形が発生し、成形部品に大きな熱応力が蓄積され、冷却プロセス中に解放されて成形部品が変形したり、ひび割れたりする可能性があることを指摘しておく必要があります。レーザー選択溶融成形技術は、大量の成形粉末を必要とし、成形面全体に金属粉末を敷き詰める必要があるため、貴金属の成形には適していません。また、成形プラットフォーム全体が大きく、不活性ガスの保護効果が低いため、酸化されやすい金属粉末の成形には適していません。

選択的レーザー溶融技術の利点
原理的には、選択的レーザー溶融は選択的レーザー焼結と似ていますが、より高いレーザーエネルギー密度とより小さなスポット径を使用するため、成形部品の機械的特性と寸法精度が優れています。使用前に簡単な後処理のみが必要であり、成形に使用する原材料を特別に配合する必要はありません。選択的レーザー溶融技術の利点は、次のようにまとめられます。1. 中間工程なしで金属機能部品を直接製造します。
2. ビーム品質が良好で、細かい焦点スポットが得られ、寸法精度が高く、表面粗さが優れた機能部品を直接製造できます。
3. 金属粉末が完全に溶融し、直接製造された金属機能部品は冶金結合構造、高密度、良好な機械的性質を持ち、後処理が不要です。
4. 粉末材料は単一材料または複数成分材料であってもよく、原材料を特別に配合する必要はありません。
5. 複雑な幾何学的形状を持つ機能部品を直接製造できます。
6. 単一または少量の機能部品の製造に特に適しています。選択的レーザー焼結法で形成された部品の密度と機械的特性は低く、電子ビーム溶融法やレーザークラッディング製造法では寸法精度の高い部品を得ることが困難です。対照的に、選択的レーザー溶融技術は、冶金結合、緻密な構造、高い寸法精度、良好な機械的特性を持つ部品を得ることができ、近年ラピッドプロトタイピングの主な研究ホットスポットと開発トレンドとなっています。

選択的レーザー溶融技術の研究展望
（１）レーザーラピッドプロトタイピング用金属粉末材料のシリアル化と専門化を実現する。当社は、レーザーラピッドプロトタイピングの性能向上における粉末材料の材料基盤としての役割を重視し、選択的レーザー溶融成形プロセスに適した粉末の化学組成、物理的特性、調製技術、特性評価方法について詳細な定量的研究を実施し、レーザーラピッドプロトタイピング専用の金属および合金粉末材料の専門化とシリーズ化を実現します。
（２）金属および合金粉末のレーザー成形の冶金学的性質とメカニズムに関する詳細な定量的研究を実施する。レーザービームと金属粉末の相互作用メカニズム、レーザー溶融池の非平衡熱および質量移動メカニズム、超高温勾配下での溶融金属の急速凝固と内部冶金欠陥および微細構造の制御、金属粉末のレーザー溶融の全プロセスとさまざまな種類の内部応力の進化、およびその他の冶金、物理、化学、熱機械結合の問題など、金属および合金粉末のレーザーラピッドプロトタイピングにおける主要な科学的問題に焦点を当て、金属および合金粉末のレーザーラピッドプロトタイピングの組織とパフォーマンスを改善するための科学的理論的基礎を提供します。
（３）レーザー形状制御による高性能複雑構造金属・合金部品のネットシェイプ製造。レーザー急速成形専用の高流動性金属粉末の設計と製造を材料の基礎とし、レーザー非平衡溶融池の冶金熱力学と運動挙動、レーザー成形の微細構造調節メカニズム、レーザー成形部品の内部応力発達法則のマルチスケール予測を理論的基礎として、粉末設計と製造 - 部品構造設計 - SLM成形プロセス - 組織と性能評価の統合研究を通じて、航空宇宙、バイオメディカル、金型製造などの分野の応用ニーズに直面し、高性能な複合構造金属および合金のキーパーツのレーザー形状制御可能な直接精密ネット成形製造を実現します。金属部品の選択的レーザー溶融ラピッドプロトタイピングの材料、プロセス、理論に関する研究には、根本的な進歩が達成されていない側面がまだ多くあります。この分野における多くの新材料、新プロセス、新現象、新理論の徹底的な研究と探究は、レーザーラピッドプロトタイピング技術のエンジニアリング応用を実現するための基礎となります。

選択的レーザー溶融技術に関する研究 多数の学者や研究チームが選択的レーザー溶融技術に関して多くの研究を行ってきました。 RehmeO らは、選択的レーザー溶融プロセスの重要なパラメータを分析および分類し、走査線の長さ、走査間隔、層の厚さ、成形方向などのパラメータが部品の密度と残留応力に与える影響を研究しました。大阪田幸三氏らは、ニッケル基合金、鉄基合金、純チタン材料の選択的レーザー溶融成形特性を研究し、成形部品の熱応力分布を解析し、スキャン戦略と予熱方法によって熱応力を低減し、密度90％以上の金型を直接製造しました。 JPKruthらはレイリー不安定性の原理を用いて鉄系合金の球状化現象を説明し、走査戦略と酸素含有量の制御によって球状化を排除することを提案しました。同時に、さまざまな元素がレーザー吸収率、熱伝導率、溶融物の濡れ性と広がり性、酸素含有量、レイリー不安定性に与える影響を研究しました。 I.Shishkovskyらは、アルミニウム-ジルコニウムセラミック材料の選択的レーザー溶融成形特性を分析し、成形部品の微細構造と組成を研究し、空気中で成形された部品は緻密な微細構造と規則的な安定相分布を持つことを発見しました。

M. Badrossamayらはステンレス鋼と工具鋼を研究し、スキャン戦略、レーザー出力などのパラメータが成形品質に与える影響を研究しました。彼らの研究により、ステンレス鋼と工具鋼は同様の成形規則を持ち、成形品質とスキャン速度の間には線形関係がないことがわかりました。スキャン速度は粉末床の熱損失に影響を与えると推測されています。 I. Yadroitsevらは、ステンレス鋼などの原材料を使用した選択的レーザー溶融成形プロセスに関する多くの研究を行っており、スキャン戦略が密度に与える影響とスキャン角度が機械的特性に与える影響を研究しました。「充填および再充填スキャン戦略」を使用すると、高密度の成形部品を得ることができます。同時に、スキャン傾斜角度は成形部品の降伏強度と引張強度にほとんど影響を与えないことがわかった。さらに、プロセス実験を通じて、最適化されたプロセスパラメータを使用して、厚さ140μmの連続薄壁を形成しました。 Gusarovらは熱力学を用いて選択的レーザー溶融プロセスにおける溶融池の安定性を分析し、レイリー不安定性原理を採用して高走査速度下での球状化現象を説明し、連続溶融池に適したより良い溶融池形状、すなわち溶融池のアスペクト比を減らし、溶融池と基板間の接触線幅を増やすことを提案した。

Kamran Aamir Mumtaz らは、ニッケル合金のシングルパス溶融池を研究し、スキャン戦略が密度に与える影響を分析し、表面品質を向上させる方法を提案しました。つまり、「充填および再充填スキャン戦略」を使用すると、隣接する溶融池の重なりによって発生する熱変形を防ぎ、同時に密度 99.7% の合金部品を形成できます。 Julio、Rehme、McKown、Yadroitsevら[33-35]も、選択的レーザー溶融による機能性材料の直接成形に関する予備調査を実施し、いくつかの結果を達成した。たとえば、Julioらは選択的レーザー溶融を使用して、熱放散機能を備えたチューブ材料を直接製造し、Rehmeらは選択的レーザー溶融を使用して細胞構造を持つ多孔質医療インプラント材料を直接製造し、McKownらはグリッド状材料を直接製造し、Yadroitsevらは選択的レーザー溶融による微多孔構造のフィルター材料部品の直接製造を研究した。

中国では選択的レーザー溶融技術の研究は遅れて始まったものの、これまでに大きな進歩が遂げられています。主な研究機関には、華南理工大学、華中科技大学、南京航空航天大学、上海交通大学などの大学といくつかの科学研究機関が含まれます。その中で、華南理工大学はステンレス鋼、銅合金、ニッケル合金、チタン合金に対して多数のプロセス実験を実施し、レーザー出力、スキャン速度、スキャン間隔、スキャン戦略などが密度、寸法精度、内部構造などに与える影響を研究しました。華中科技大学もステンレス鋼の成形プロセスについていくつかの議論を行い、直交実験方法を使用してプロセスパラメータを最適化しました。南京航空航天大学は、いくつかのよく使用される材料の研究に加えて、選択的レーザー溶融を使用して複合機能部品を直接製造しました。上海交通大学は、316Lステンレス鋼を使用して選択的レーザー溶融部品の表面品質と内部の微細構造を研究し、高密度の機能部品を得ました。

電子ビーム溶解法（EBM）
1994年、スウェーデンの企業ARCAMは、電子ビーム溶解と呼ばれる技術の特許を申請しました。ARCAMは、電子ビームによる高速製造を商業化した世界初の企業でもあり、2003年に第1世代の装置を発売しました。それ以来、マサチューセッツ工科大学、NASA、北京航空製造工学研究所、中国の清華大学は、それぞれ独自の電子ビームベースの高速製造システムを開発してきました。マサチューセッツ工科大学が開発した電子ビームソリッドフリーフォームファブリケーション (EBSFF) 技術。 EBSFF 技術は、ワイヤ供給を使用して成形材料を供給します。最初の 2 つのタイプは、電子ビームを使用して金属ワイヤを溶かします。電子ビームは固定されており、金属ワイヤはワイヤ供給装置と作業台を通過します。レーザー近接製造技術と同様に、電子ビームヒューズ堆積の急速製造中には、電子ビーム電流、加速電圧、集束電流、偏向スキャン、作動距離、ワークピースの移動速度、ワイヤ供給速度、ワイヤ供給方向、ワイヤ供給角度、ワークピースからのワイヤ端の高さ、ワイヤ延長長さなど、多くの影響要因があります。これらの要因は相互に作用して溶融物の断面の幾何学的パラメータに影響を与え、単一の要因の影響を区別することは非常に困難です。スウェーデンのARCAMと清華大学が開発した選択領域溶融（EBSM）は、電子ビームを使用して作業面上に広げられた金属粉末を溶かします。レーザー選択領域溶融技術と同様に、電子ビームのリアルタイム偏向を使用して溶融と成形を実現します。この技術は2次元の可動部品を必要とせず、金属粉末の迅速なスキャンと成形を実現できます。

電子ビーム選択溶融（EBSM）の原理
レーザー選択焼結プロセスやレーザー選択溶融プロセスと同様に、電子ビーム選択溶融 (EBSM) は、高エネルギーの高速電子ビームを使用して金属粉末を選択的に照射し、粉末材料を溶かして形を作る高速製造技術です。 EBSM 技術のプロセスは次のとおりです。まず、粉末の層を粉末拡散面に広げます。次に、コンピューターの制御下で、断面プロファイルの情報に従って電子ビームが選択的に溶融します。金属粉末は電子ビームの衝撃下で一緒に溶融され、下の成形部品に結合し、部品全体が完全に溶融するまで層ごとに積み重ねられます。最後に、余分な粉末を除去して、目的の 3 次元製品が得られます。ホストコンピュータのリアルタイムスキャン信号は、デジタルからアナログへの変換と電力増幅を経て偏向コイルに送信され、対応する偏向電圧によって生成される磁場の作用により電子ビームが偏向され、選択的溶融が実現されます。 10 年以上の研究を経て、電子ビーム電流、集束電流、動作時間、粉末の厚さ、加速電圧、スキャンモードなどのいくつかのプロセスパラメータについて直交実験を実行できることがわかりました。作用時間は成形に最も大きな影響を与えます。

電子ビーム選択溶解法の利点 電子ビーム直接金属成形技術は、高エネルギー電子ビームを加工熱源として使用します。磁気偏向コイルを操作することでスキャン成形を行うことができます。機械的な慣性がなく、電子ビームの真空環境により、液相焼結または溶融中に金属粉末が酸化されるのを防ぐこともできます。レーザーと比較すると、電子ビームはエネルギー利用率が高く、作用深度が大きく、材料吸収率が高く、安定性があり、運用・保守コストが低いなどの利点があります。 EBM 技術の利点は、成形プロセスにおける高効率、部品の変形が小さい、成形プロセスで金属サポートが不要、微細構造がより緻密などです。電子ビームの偏向と焦点制御がより高速かつ高感度です。レーザーの偏向にはガルバノメータの使用が必要であり、レーザーが高速でスキャンしているときはガルバノメータの回転速度が非常に速くなります。レーザー出力が大きい場合、ガルバノメータにはより複雑な冷却システムが必要となり、ガルバノメータの重量も大幅に増加します。したがって、より高い出力のスキャンを使用する場合、レーザーのスキャン速度は制限されます。大きな成形範囲をスキャンする場合、レーザーの焦点距離を素早く変更することも困難です。電子ビームの偏向と集束は磁場を利用して行われ、電気信号の強度と方向を変えることで電子ビームの偏向量と集束長を迅速かつ高感度に制御できます。電子ビームの偏向および集束システムは金属の蒸発によって妨げられることはありません。レーザーと電子ビームを使用して金属を溶かすと、金属蒸気が成形空間全体に拡散し、接触した物体の表面に薄い金属膜が堆積します。電子ビームの偏向と集束はすべて磁場内で行われるため、金属の蒸発による影響を受けません。一方、レーザーガルバノメータなどの光学機器は蒸発によって簡単に汚染されます。

電子ビーム選択溶融の主な問題点 真空チャンバーの排気プロセス中、粉末は空気の流れによって簡単に運び去られ、真空システムを汚染しますが、より特殊な問題、つまり粉末崩壊現象があります。その理由は、電子ビームの運動エネルギーが大きいためです。電子ビームが金属原子に高速で衝突して加熱し、温度を上昇させると、電子の運動エネルギーの一部も粉末粒子の運動エネルギーに直接変換されます。粉末の流動性が良好であれば、粉末粒子は電子ビームによって押しのけられ、崩壊現象が発生します。粉末の調理を防ぐための基本原則は、粉末層の安定性を高め、電子ビームの推力を克服することです。主な対策は、粉末の流動性を下げる、粉末を予熱する、成形ベースプレートを予熱する、電子ビームのスキャン方法を最適化するという4つです。そのため、粉末材料は真空電子ビーム装置で処理することが常に困難であり、プロセスパラメータに関する研究はほとんど報告されていません。粉末が電子ビームの作用で崩壊しやすいという現象を考慮して、異なる粉末システムが耐えることができる電子ビーム閾値電流（崩壊電流）と電子ビーム走査閾値速度（崩壊速度）が提案され、これに基づいて混合粉末が研究されています。EBM技術の成形チャンバーは、機器の正常な動作を確保するために高真空にする必要があり、EBM技術全体の複雑さが増しています。さらに、真空状態では粉末が簡単に舞い上がり、システムの汚染を引き起こす可能性があります。さらに、EBM 技術では、粉末を成形チャンバー内で予備焼結して固化させるために、システムを 800°C 以上に予熱する必要があります。予熱温度が高いため、システム全体の構造に非常に高い要求が課せられます。処理後、部品を真空成形チャンバー内でかなりの時間冷却する必要があり、部品の生産効率が低下します。

電子ビームはレーザービームのように細かい点に焦点を合わせることが難しいため、成形品に高い寸法精度を出すことが困難です。そのため、電子ビーム選択溶融技術を用いて精密または微細構造を有する機能部品を直接製造することは困難です。電子ビーム偏向エラー。 EBSM システムは、磁気偏向コイルを使用して磁場を発生させ、電子を偏向させます。偏向の非線形性と磁場の不均一性により、電子ビームを広範囲にスキャンすると、糸巻き型歪みが生じます。高い偏向角度で焦点がぼけます。 EBSM システムは、集束コイルを使用して電子ビームを集束します。集束コイルの電流が一定であれば、電子ビームの集束面は球形となり、電子ビームは平面上を走査します。したがって、電子ビームは偏向されていないときには焦点が合っていますが、大きな角度で偏向されると焦点が外れます。

国内外の研究状況 2003 年に最初のマシン S12 を発売して以来、ARCAM は 3 台の成形機を発売しました。新世代の成形設備A1およびA2成形設備では、成形部品の最大サイズと精度が大幅に向上し、成形部品の冷却において自動冷却が実現されています。成形および冷却プロセス中に真空チャンバーを一定の圧力でヘリウムで満たすと、酸素含有量を低く維持しながら成形後の冷却速度を加速できます。 A1 と A2 設備の応用分野もより明確です。A1 は主に骨インプラントの成形に使用され、成形材料は主にチタンとコバルト合金です。A2 は主に航空宇宙および防衛分野に必要な部品の成形に使用され、他の分野で成形の複雑度が高い金属部品の小ロット生産にも使用されます。 ARCAM は最新の A1 および A2 設備を使用して、精度と強度が向上した多数の部品を生産しています。A1 を使用して生産された合金骨はすでに CE 認証に合格しており、これまでにヨーロッパ大陸の 10,000 人以上の患者に恩恵をもたらしました。また、2011 年初頭には米国 FDA 認証も取得しました。 A2を使用した航空・防衛分野の製品も目覚ましい成果を上げています。前述の滑らかな表面と複雑な形状の加工能力に加え、原材料と最終製品の品質の比率が15～20から約1に低減され、コストが大幅に削減されました。

NASAラングレー研究センター、シアキー社、ロッキード・マーティン社など米国の研究機関は、航空宇宙用チタン合金とアルミニウム合金構造に関する多くの研究を行っており、最大成形速度は3500cm3/hで、他の金属ラピッドプロトタイピング技術よりも数十倍効率的です。この技術は、F-22 のチタン合金サポートを直接製造するために使用されました。部品は、最大荷重フルスペクトル疲労試験 2 サイクルに合格し、永久変形は検出されませんでした。中国清華大学機械工学部は独自に電子ビーム選択溶融装置を開発し、2004年に第1世代の電子ビーム選択溶融成形装置EBSM150を発売し、2008年に第2世代の装置EBSM250にアップグレードしました。成形部品の最大サイズは230mm×230mm×250mmに拡大しました。研究グループは、独自に開発した装置を使用して、電子ビーム選択溶融プロセスのいくつかの重要な問題について詳細な研究を実施しました。過去10年間、彼らは成形制御システムの開発、粉末予熱プロセス、走査経路の計画、成形部品の機械的特性など、多くの研究開発作業を行ってきました。

レーザー堆積技術 (LMD)
レーザー金属堆積法（LMD）は、1990年代に米国のサンディア国立研究所によって初めて提案され、その後世界各地で開発されてきました。多くの大学や研究機関が独自の研究を行っているため、この技術には多くの名前があります。例えば、米国サンディア国立研究所のレーザーニアネットシェーピング技術LENS（Laser Engineered Net Shaping）、米国ミシガン大学の直接金属堆積DMD（Direct Metal Deposition）、英国バーミンガム大学の直接レーザー成形DLF（Directed Laser Fabrication）、中国北西工科大学のレーザーラピッド成形LRF（Laser Rapid Forming）などがある。名前は異なりますが、それらの原理は基本的に同じです。パウダーはノズルを介して作業面に集められ、レーザービームもこのポイントに焦点を合わせており、粉末光のアクションポイントが重複し、蓄積された留め具がワークベンチまたはノズルを移動することで得られます。

レンズテクノロジーは、使用されるレーザーフォーカススポットは一般に1 mmを超えるため、キロワットクラスのレーザーを使用していますが、冶金結合を備えた高密度の金属エンティティは得られます。レーザークラッディングは、クラッディングプロセスのパラメーターが、クラッド部品の品質に大きな影響を与える複雑な物理的、化学的、冶金プロセスです。レーザークラッディングのプロセスパラメーターには、主にレーザーパワー、スポット直径、デフォーサー、粉末摂食速度、スキャン速度、溶融プール温度などが含まれます。希釈速度、亀裂、被覆層の表面粗さ、クラッド部品の密度に大きな影響を与えます。同時に、さまざまなパラメーターも互いに影響を与えます。これは非常に複雑なプロセスです。適切な制御方法を使用して、コーティングプロセスで許可された範囲内のさまざまな影響要因を制御する必要があります。

同軸粉末給餌と外側粉末給餌の違い レーザー同期クラッド金属粉末プロセスには、2つの一般的な方法があります。同軸粉末給餌と横粉末給餌方法は、設計が簡単で、簡単に調整できます。まず、平面曲線の任意の曲線形状に沿ってレーザービームがスキャンする場合、曲線上の各ポイントでの粉末運動方向とレーザービームスキャン速度方向の角度は一貫性がありません最終部品の形状とサイズが要件を満たすことを保証することは困難です。第二に、粉末の摂食位置をレーザースポットの中心に揃えることは困難です。第三に、サイドパウダー給餌方法が採用されると、レーザービームが粉末を予熱して事前に溶かすことができず、レーザーエネルギーを完全に活用することはできません。さらに、横粉末給餌方法は、X方向やY方向に沿った動きなど、線形のクラッディング軌道の機会にのみ適しており、複雑な軌跡の動きには適していません。

さらに、サイドパウダー給餌は、厚壁の一部の製造にのみ適しています。これは、サイドパウダーフィーシングノズルから散布されているため、収束ではなく分岐しているためです。粉末を運ぶ方向が基質の動きの方向と同じか反対の場合、クラッディング層は、粉末を運ぶ方向と基質の動きの方向によって明らかに影響を受けます。さらに、粉末の送達方向が基質の動きの方向に垂直である場合、2つの方向が平行なときに得られる形状とは、クラッディング層の形状がより異なります。したがって、横粉末摂食には明らかな方向性があり、被覆層のジオメトリは動きの方向とともに変化します。同軸粉末は、上記の欠点とノズルの中心線がこのように克服しますが、粉末の流れの空間分布は常に一貫しています。さらに、粉末が排出された後、粉末を覆うことができ、薄い部分の寸法精度の問題を解決することができます。同軸粉末給餌方法は、粉末流の安定性と均一性を改善し、層の形状を被覆するのに有益であり、それによって金属形成部品の精度と品質が向上することがわかります。

レーザークラッディングラピッドプロトタイピングテクノロジーの開発 米国は、1980年代後半までに、レーザークラッディングの製造技術に関する研究を開始しました。レーザークラッディングの製造技術に関する国内の研究は比較的成熟しています。たとえば、非鉄金属の北京研究所は、レーザークラッド製造技術を使用して、密に構造化された663スズブロンズ合金部品を直接生産し、部品の機械的特性は実際の使用要件を満たしています。ノースウェスタンポリテクニカル大学は、1990年代にレーザークラッド製造技術の調査と研究を開始し、後にレーザーステレオ形成システムを開発しました。電子ビームの選択的融解と同様に、レーザークラッド製造技術は、レーザースポットサイズとワークテーブルの動きの精度の制限により、密な構造と良好な機械的特性を持つ金属官能部品を直接生成できます。レーザー融解堆積（LMD）の開発は、この技術を支援して、この技術の実用的な適用に関する研究を行うことで、この技術を支援することで、少し後に来ました。

1997年、米国空軍、陸軍、国防総省の関連研究プログラムのサポートを受けて、チタンアロイ航空機のサポートを受けて、チタンの合金化された研究プログラムのサポートを受けて、米国の融解層技術の開発と適用を専門としています。 2001年、それによって生成された3つのチタン合金を含む構造部品は、材料の節約と製造コストが20〜40％削減されたため、従来の製造プロセスのパフォーマンスを超えていました。ただし、チタン合金の主な負荷を含む構造部品の疲労性能は鍛造基準を超えなかったため、技術は最終的には大規模な航空機コンポーネントには適用されず、2005年に閉鎖されました。それにもかかわらず、低コスト、短いサイクル、高性能の特徴を持つレーザー添加剤製造技術は、米国の航空宇宙および防衛産業で依然として重要な役割を果たしています。

レーザークラッドの迅速なプロトタイピングテクノロジーの問題 ただし、LMDの層ごとの添加剤の性質により、堆積した材料は異なる領域で複雑な熱サイクリングプロセスを繰り返し受けることです。 LMDの熱サイクルプロセスには、この複雑な熱挙動が複雑な位相変換と微細構造の変化につながる多数の再加熱サイクルが含まれます。したがって、形成された部分の構成と構造を制御することは非常に困難です。一方、小さなレーザービームを使用した溶融プールの急速な形成により、凝固速度が高くなり、不安定性が溶けます。部品の固化および形成プロセス中の熱の一時的な変化により、複雑な残留応力は簡単に生成されます。残留応力の存在は、必然的に変形につながり、LMD形成された部分の亀裂さえもつながります。組成と微細構造の制御不能、および残留応力の形成は、LMDテクノロジーが直面する主な困難です。

レーザークラッディングラピッドプロトタイピングテクノロジーの利点
DMD/レンズの本質は、コンピューター制御下の溶融金属の3次元蓄積です。 DMLやSLM/SLRMとは異なり、金属粉末はすでにノズルの加熱状態で溶融状態にあるため、高融点金属のレーザー迅速なプロトタイピングに特に適しています。実際、米国エネルギー省からの資金提供により、サンディア国立研究所は、レンズを開発の初期段階に配置し、航空宇宙および軍事装置に基づいて、複雑な形状の高販売ポイント金属部品を直接的かつ正確に製造し、形成材料システムを拡大して、ツール鋼、タイタンレス鋼、ニッケルアロリチョウなどを含めました。米国のSandia国立研究所は、形成された部品の包括的な機械的特性について、従来のプロセスによって作成された部品の包括的な部品の研究を実施しています。粉末給餌装置を調整し、粉末組成を徐々に変更することにより、材料組成の連続的な変化を同じ部分の異なる位置で達成できることに注意することが重要です。

ワイヤフィードレーザークラッドラピッドモールディングテクノロジー 粉末の低い利用率（20〜30％）、粉末の汚染問題、粉末の比較的高価な価格など、粉末レーザー添加剤の製造の避けられない欠陥のため。ワイヤーセンディングレーザー添加剤製造は、材料利用率が高い（ほぼ100％）だけでなく、粉塵汚染がないだけでなく、機器の要件が比較的低く、より経済的です。したがって、近年、一部の機関は、電線給餌のための添加剤製造技術に関する研究に注意を向け始めています。現在、最も一般的に使用される方法は、Tigアークヒューズを使用することですが、レーザーを使用する人はほとんどいません。要約すると、現在、この側面に関する国内の研究を使用することに関する多くの研究が報告されていない一方、海外でのワイヤーフィーディングのためのレーザー添加剤の製造に関する研究はほとんどありません。一般に、TIGアークヒューズ法によって調製された引張強度と降伏強度は、レーザー添加剤製造技術のものよりも低く、伸長はレーザーの伸びよりも高くなっています。組織に関しては、TIGアークヒューズ法で調製されたチタン合金は主にメッシュバスケット組織で構成されていますが、レーザー添加剤は主にWEIの組織で構成されています。これは、2つの方法の異なるエネルギー特性と入力によって引き起こされます。

パウダーフィードとワイヤーフィーディングレーザークラッディングのための迅速な成形技術の比較 粉末フィーディングタイプは、プロセスウィンドウと内部欠陥の観点からワイヤフィードタイプよりも優れています。レーザー電力が増加すると、ワイヤ給餌タイプを使用すると、堆積層の高さが直線的に低下し、この時点ではワイヤー給餌速度の増加も増加する必要があります。したがって、ワイヤフィードの形成は、レーザーパワー、ワイヤー給餌速度、スキャン速度を一致させるパラメーターにとって非常に重要です。粉末給餌の種類がパワーを増加させると、高さは基本的に変化しません。寸法の精度の点では、厚さ方向の狭い底を除いて、粉末摂食型は均一な厚さで、他の場所で非常にまっすぐな側壁があり、溶融プールは流れず、形成は比較的まっすぐです。ワイヤーの摂食パターンは、厚さが比較的均一ですが、ワイヤーの硬直障害とワイヤーと光の間の比較的厳格な中立要件のために、サイドの壁が非常にまっすぐで、沈み込まれた距離は、堆積物の距離がありますASERは、レーザーが光を停止する前に給餌を停止するため、レーザーは単に端の堆積層に作用し、堆積層の溶融プールが下向きに流れます。要約すると、プロセスウィンドウ、内部の欠陥、寸法精度、表面精度では、粉末フィーディングタイプは効率と経済の観点からより優れています。

いくつかの記事は、金属部品の3D印刷技術の現在のステータスと研究の進捗状況（School of Mechanical and Automotive Engineering、South China University of Technology; Yang Yongqiang、Liu Yang、Song Changhui）からです。

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