アーク溶接＋レーザークラッディングハイブリッド金属3Dプリント技術、フラウンホーファーカラーハイブリッド

2022年9月22日、アンタークティックベアは、ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所（フラウンホーファーILT）のエンジニアが、ガラス基板とアーク溶接トーチを使用したリングビームによる金属シールドガス（MSG）溶接とレーザークラッディング技術を組み合わせた新しい光学システムの開発を発表し、新しい製造プロセス「CollarHybrid」を生み出したことを知りました。
画像提供: フラウンホーファーILT
このプロセスにより、金属 3D プリントの溶接速度と堆積速度が向上します。ワイヤアーク積層造形 (WAAM) とワイヤレーザー材料堆積 (WLMD) という 2 つの積層造形プロセスを組み合わせたものです。どちらのプロセスにも、システムに応じて利点と欠点があります。レーザープロセスは非常に高価で堆積速度も遅いですが、アークワイヤ積層造形は成熟した堅牢なプロセスです。しかし、アークには方向性があり、3次元溶接ではレーザービームほど正確に焦点を合わせることができないほか、レーザーのように細かく正確な軌道を描くこともできないため、一定の限界があります。比較すると、レーザーは熱入力が低く、層構造を正確に整列させることができます。そのため、航空宇宙分野ではレーザー加工がよく使われています。ワイヤアーク積層造形法 (WAAM) は、レーザー (ワイヤレーザー材料堆積法、WLMD) と比較して堆積速度が速くなります。溶接では、レーザービーム溶接とガスシールドメタルアーク溶接を組み合わせたものをLB-GMAハイブリッド溶接と呼びます。ただし、この横方向のプロセスは方向に依存するため、3 次元溶接の接合にはあまり適していません。
2 つのプロセスを 1 つのシステムに同軸で組み合わせると、大型部品の 3D プリントの場合でも、溶接速度が約 100 パーセント向上し、堆積速度が最大 150 パーセント向上します。ドイツのフラウンホーファーレーザー技術研究所の研究員マックス・ファビアン・シュタイナー氏は、表面の波状性が低減したため、この複合プロセスではWAAMプロセスに比べて後処理が大幅に少なくて済むと指摘している。
組み合わせプロセスにより相乗効果が保証される
シュタイナー氏は同研究所の同僚であるヤナ・ケルバッサ氏とともに、高出力レーザービーム下でガラス基板と水冷式アークトーチを使用した溶接や積層造形を可能にする特殊な水冷式光学システムを開発・構築した。新しい光学システムでは、2 つのエネルギー源が重ね合わされ、2 つの個別のプロセスの組み合わせが互いに補完し合います。
画像提供: フラウンホーファーILT
ハイブリッドプロセスでは、ワイヤ端と基板間のアークがカラーのようなレーザー放射のリングに囲まれており、アークはこのカラーを突破できません。新しいプロセスの名前は「強制誘導」に由来し、「COLLAR」という略語は両方のプロセスに共通する同軸レーザーアークを指します。
ドイツのフラウンホーファーILTは、新しいシステム技術を使用して、環状レーザービームとアーク技術を使用した金属3Dプリントをさらに開発しており、ドイツのアーヘン工科大学の溶接接合研究所（ISF）は、環状フォーカスと同軸ワイヤ供給で開発したハイブリッド溶接プロセスを使用しています。どちらのユースケースも、分散スイッチ研究プロジェクト「KoaxHybrid」の一部です。
初期テストの結果、新しいハイブリッドプロセスにより、アーク溶接に比べて溶接効率が約 100 パーセント向上することが示されました。もう 1 つのオプションは、あらゆる方向で溶接できる光学技術である COLLAR プロセスです。また、厚板溶接の要求にも十分対応可能です。
画像提供: フラウンホーファーILT
アークとレーザーの連携 非常に微細な構造や粗い構造を製造する必要がある場合、このプロセスのパラメータ比は実際の状況に応じて調整できます。純粋なレーザープロセスまたはマルチレーザープロセス（完全に閉ループのアークまたは低出力）を使用すると、これまで困難だった領域構造や微細構造を堆積できます。マルチアーク溶接プロセスを使用すると、より粗い構造（幅広のリブや堆積速度の高い領域など）を作成し、大幅に高速に、よりコスト効率よく、より少ないエネルギー入力で堆積できます。
同様の構築戦略は、アルミニウムや銅などの材料にも適用できますが、過去にはこれらの材料には通常、はるかに高価な青色または緑色のレーザービーム源が必要でした。たとえば、電気アークを使用して酸化アルミニウム層を粉砕する場合、その融点は 2200°C です。しかし、その下のアルミニウム層の融点はわずか 660°C なので、全体的な電力を低く抑えて溶接や加工を行うことができます。
2022 年 9 月 19 日から 21 日まで、DVS ドイツ溶接協会の専門家会議がコブレンツで開催されます。ハイブリッド溶接プロセスと 3D プリントの詳細については、こちらをご覧ください。

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