Stratonics: 金属3Dプリントの品質を管理するもう一つのツール

印刷速度と金属粉末の価値に加えて、金属 3D 印刷には克服すべき多くの障害がまだありますが、最も重要なのは、印刷品質が制御可能で安定している必要があることです。そのため、科学者たちは、粉末床金属 3D 印刷技術によって引き起こされる気孔の問題を軽減、あるいは排除する方法を研究してきました。これには、処理パラメータの調整、工程内プロセスの監視と制御、品質フィードバック、データ相関分析など、多くの側面が関係します。

この技術的な問題点に対処するために、米国の 3DSIM やドイツの Amphyon などの一部の企業は、シミュレーションソフトウェアを通じてプロセス予測を改善することに取り組んでいます。米国カリフォルニア州の別の企業、Stratonics は、ハードウェアとソフトウェアを組み合わせて印刷プロセスを監視および制御しようとしています。この方法は、その結果が米国の有名なオークリッジ国立研究所 (ORNL) などの多くの機関や国立研究所によって認められているため、非常に注目に値します。

溶融プロセス中、各レーザースポットは微小溶融プールを作成します。粉末の溶融から固体構造への冷却まで、スポットのサイズと電力によってもたらされる熱量によってこの微小溶融プールのサイズが決まり、部品の微結晶構造に影響を与えます。

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。レーザーの後ろの領域の温度が下がると、熱伝導により、軟化しているが液化していない粉末粒子が微小溶融池の周囲に現れます。

溶融池の熱を監視するために、カメラで層ごとに写真を撮る方法とは異なり、LENS技術とSLM技術では、ストラトニクスの高解像度熱画像センサーは、デュアル波長測定センシング方式に基づいています。結果は絶対に正確で、現実的で効果的な温度測定技術です。これにより、材料が加熱および溶融する際の温度変化、熱伝導および冷却方法に関する詳細なデータを取得できます。データは、加工ジオメトリと相関するマトリックス形式で提示されるため、オペレーターは、レーザー出力、システムスキャン速度、粉末ベッドからのスキャン距離、粉末層の厚さなどを考慮した加工パラメータが完成部品の品質にどのように影響するかを正確に推測できます。

もちろん、3D 印刷機器メーカーの中には、温度を記録するために高温計を使用しているところもあります。ただし、波長範囲のせいで、モノクロの高温計は正確でない場合があります。高温計は、広い領域の平均温度しかユーザーに提供しません。これは温度の指標ではありますが、必ずしも絶対温度の測定値ではありません。 3D Science Valley は、Stratonics のセンサーシステムがステンレス鋼、チタン合金、その他の高温金属の加工時の温度測定に適用でき、モノクロ高温計のような制限がないことを知りました。

ThermaVizリアルタイム制御ソフトウェア
Stratonics の ThermaViz リアルタイム制御ソフトウェアは、センサーからのデータフィードバックを使用して、処理プロセスを調整および制御します。処理プロセスによって部品の廃棄や品質の問題が発生することがソフトウェアによって検出されると、フィードバックシステムによって処理パラメータが自動的に調整され、安定した熱出力が確保されます。

この目的のために、ストラトニクスはペンシルバニア大学のOptomec LENS 3D装置を通じて視覚的なデモンストレーションも行いました。リアルタイムの熱画像を標準の熱パラメータと一致させることで、処理プロセスを自動的に調整し、より一貫性のある製品を生産し、より優れた材料の結晶構造を実現できます。

もちろん、これはすべての処理が途中で自動的に調整できることを意味するわけではありません。完全に自動調整を実現するには、長期にわたる努力が必要です。 Stratonics のソフトウェアは、加工プロセスとデータ分析の理解に基づいて、緊急対策も提供します。ソフトウェアシステムが加工プロセスが正常範囲から外れたと判断すると、アラームも発せられ、オペレーターは材料の無駄を避けるために加工を終了するかどうかを決定できます。

現在、ストラトニクスのハードウェアおよびソフトウェアシステムは、オークリッジ国立研究所だけでなく、いくつかの大手金属印刷機器メーカーにも認められています。ハネウェル、ボーイング、エアロジェット、テキサス大学、ミシシッピ州立大学、ペンシルバニア州立大学がストラトニクスのハードウェアおよびソフトウェアシステムの使用を開始しています。

出典: 3Dサイエンスバレー

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