EOS: 一酸化炭素レーザーにより高解像度の焼結3Dプリント技術が可能に

ドイツの積層造形専門企業であるEOSは、2019年に初めて、新しい選択的レーザー焼結（SLS）法、 Fine Detail Resolution（FDR）と呼ばれる新しい技術を開発したと発表しました。この技術は大きな進歩をもたらし、選択的レーザー焼結SLSの耐久性と品質を備え、ステレオリソグラフィーSLAレベルの高解像度を実現できます。数年が経過し、EOS の FDR テクノロジーが FORMIGA P 110 FDR システムで利用できるようになりました。これにより、これらの機能が大幅に向上しました。

△ 動画：EOS一酸化炭素レーザーが高解像度焼結3Dプリント技術を実現

FDRとは何か
EOS の FDR テクノロジーは SLS テクノロジーに非常に近いものです。どちらのテクノロジーもレーザーを使用してポリマー粉末の粉末粒子を溶かし、層ごとに部品を積み上げていきます。 FDR は、CO2 レーザーではなく CO レーザーを使用するという点で独特です。 CO レーザーは、約 200 μm の超微細スポットを生成できます。これは、SLS 3D プリンターのおよそ半分のサイズです。この小さなレーザースポットは、特に細かいディテール、薄い壁、文字やマイクロ電気コネクタなどの小さな機能に関しては、ユーザーが印刷で達成できるものに直接影響します。

CO レーザーは FDR の一部に過ぎず、均一な密度の粉末の微細層を素早く (600 mm/秒の速度で) 散布できる高精度の粉末スプレッダーも必要です。 CO レーザーと再コーティングシステムを組み合わせることで、射出成形や SLA 3D プリントと同等のプラスマイナス 40 μm の寸法精度を実現します。
一酸化炭素レーザーと二酸化炭素レーザーの違いは何ですか?

COレーザーの出力波長は5（5-6）μmであり、10.6（9-11）μm CO2レーザーとは異なります。一部の材料は 5 μm と 9-10 μm で吸収係数が異なるため、波長に依存した光と材料の相互作用の問題が生じます。 PE、セラミック、ガラスの場合、CO レーザーの吸収率が高く、これらの材料の加工において独自の利点があります。

同時に、CO レーザーは PCB ボード上の一部の誘電体材料や酸化銅の加工にも適しています。しかし、硫化物光ファイバーの5μm波長における吸収率は非常に低いため、COレーザーを光ファイバーで伝送することが可能となります。

異なる波長のレーザーに対するポリマーの吸収率
5μm のビームは、より小さなスポットサイズに焦点を合わせることができます。 10.6 μm CO2 レーザーの場合、理論上の回折限界スポットサイズは約 55 μm ですが、産業用途で実際に達成される最小スポットサイズは 80 ～ 90 μm です。同様の焦点条件下では、5μm CO レーザーは理論上のスポットサイズが約 25μm に達し、実際のスポットサイズは 30～40μm の範囲になります。スポットサイズが小さいほど、より微細な構造を生成できます。

さらに、 CO レーザーのパワー密度は CO2 レーザーの 4 倍にもなります。より高い出力密度と、5 μm における一部の材料のより強い吸収を組み合わせることで、これらの材料をはるかに低い CO レーザー出力で処理できるようになります。

EOS FDRプリント

さらに、FDR は、サポートフリーの構築(粉末ベッドがサポートとして機能するため) など、レーザー粉末ベッドフュージョンプロセスに関連するすべての利点を提供します。これにより、FDR プリントの後処理が大幅に簡素化され、設計プロセスが合理化され、材料の無駄が削減されます。つまり、部品は冷却と脱粉後にすぐに使用できますが、コーティングやスチームスムージングなどの追加の後処理を施すこともできます。

SLS と同様に、FDR は焼結時間が短く、後処理が最小限で済み、1 回の構築で複数の部品をネストできるため、大量生産が可能です。この点で、この技術は解像度を合わせた樹脂技術よりも明らかに優れています。 EOS は次のように説明しています。「SLA や DLP など、細部の解像度の点で FDR に匹敵する 3D 印刷方法は、その出力に近づくことはできません。これは主に、これらの樹脂ベースの方法の構築プロセスが遅いためです。FDR の比較的高速なレーザー焼結は、これを簡単に上回ります。」

市販されているFDRマシン<br /> エンドユーザーは、小型で詳細な部品の製造に特化して設計されたコンパクトな産業用システムである FORMIGA P 110 FDR 3D プリンターを採用することで、高精細解像度技術を活用できます。このマシンの造形容積は 200 x 250 x 330 mm で、波長がそれぞれ 5 um の 50 W レーザーが 2 つ搭載されています。これらの超微細レーザーは 200 μm の焦点径を生成し、他の SLS 3D プリント機能の約半分のサイズの高精度の詳細を作成できます。

△Formiga P 110 FDR 3Dプリンター

EOS は、標準の SLS 粉末よりも粒子サイズが小さいポリアミド 11 (PA 11) 粉末を FORMIGA P 110 FDR 3D プリンター向けに提供開始しました。ナイロンは、高い耐衝撃性、破断時の伸び、耐久性、耐薬品性を備えた多用途の素材です。これらの機械的特性に加えて、この材料はリサイクル可能であり、再生可能な資源から作られています。プリンターのリコーターは、この PA 11 パウダーを 40 μm の層厚でプリントベッド上に塗布できます。 EOSによれば、FDRソリューション用の追加材料はまだ開発中とのことだ。

この 3D プリンターは、設置面積が比較的小さく (1320 x 1067 x 2204 mm)、ワークフローソフトウェアを備えているため、製造施設や作業場にシームレスに統合できるように設計されています。 EOS 社によれば、このシステムは信頼性の面で非常に優れた性能を発揮し、粉末ベースのプラットフォームでこのような微細な印刷解像度を達成するときに通常伴う問題を克服しているという。

FDRの応用
名前が示すように「細かいディテール」を意味する EOS の FDR テクノロジーは、小さな機能と複雑なディテールを備えた小型コンポーネントの製造に最適です。一般に、LPBF 技術は、電子部品やハウジング、フィルターなどの微細構造、複数部品のアセンブリなど、ほぼすべての業界に適用できます。 FDR 印刷によって実現される設計の自由度とフィーチャサイズにより、100 GHz の周波数範囲で動作できる薄壁部品の製造が可能になります。このような用途では、PA 11 プリントにガルバニックコーティングを施して必要な導電性を与えることができます。これは、レーダーシステム、自律走行コンポーネント、通信システムなどの高周波用途に最適な機能です。

△EOS FDR 自転車ライトハウジング

この技術は、高い精度と寸法精度が求められる複数コンポーネントのアセンブリの製造にも効果的に使用されています。たとえば、FORMIGA P 110 FDR は、片持ちスナップフィットによって完全にフィットする 2 つの部品から作られたカスタム自転車ライトハウジングを正常に印刷しました。非組み立てヒンジ、フィルムヒンジ、ネジとスレッド、インターロックコンポーネントなど、高精度を必要とするその他の接続機能も、EOS の FDR テクノロジーを使用して印刷できます (マイクロスケールでも)。

PA 11 の特殊な特性により、FDR の特定の応用分野も広がります。例えば、この素材は生体適合性があるため、流体導管などの医療用途や、食品と接触する部品にも使用できます。 PA 11 は低摩擦特性も備えており、FDR プリントの高品質な表面仕上げと組み合わせることで、電気駆動用のベアリングボールや遊星歯車などのコンポーネントをプリントできます。さらに、エンボス加工やデボス加工された文字などの小さな特徴を、元の CAD 設計にシームレスに統合できます。 FDR は、複雑なディテールを備えたジュエリーやウェアラブルデバイス用のポリマーテキスタイルの製造など、デザイン分野でも重要な用途があります。

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