国産粉末供給レーザー金属3Dプリントノズル、Kelaid出力は20kWに達する

はじめに: 金属 3D プリンティングに関して言えば、通常は SLM などの粉末床選択的レーザー溶融技術に重点が置かれますが、もう 1 つの主要な高エネルギービーム AM 技術である指向性エネルギー堆積技術 (DED) を見落とすことはよくあります。実際、代表的な金属 3D プリント技術として、DED 技術は、航空宇宙、自動車、船舶、冶金、金型などの工業製造分野で強力な応用能力を長年実証してきました。
DED 技術の起源<br /> レーザー指向性エネルギー堆積積層造形技術は、レーザーなどのエネルギー源を使用して堆積領域に溶融池を生成し、それを高速で移動させます。材料は粉末またはフィラメントの形で高温溶融ゾーンに直接供給され、溶融した後、層ごとに堆積されてワークピースの製造が完了します。 DED はレーザークラッディング技術から生まれました。1974 年末、米国の ACVO EVERETT RES LABINC の Gnanamuthu 氏が世界初のレーザークラッディング特許 US3952180A を提案し、レーザークラッディング技術の基礎研究の幕開けとなりました。しかし、レーザー技術の限界により、レーザークラッディング技術の産業化はかなりの期間にわたって比較的ゆっくりと発展してきました。 21 世紀に入り、高出力レーザー技術の成熟に伴い、レーザークラッディング技術の産業化が急速に発展しました。

レーザークラッディング技術は、希釈率が低い、入熱量が少ない、適用材料が広いなどの利点があり、産業応用の過程でさまざまなタイプに進化し、積層造形、再製造、表面工学などに代表されるさまざまな分野で広く使用されています。

レーザークラッディング材料の種類と材料とレーザービームの結合形式に応じて、一般的なレーザークラッディング技術は、粉末供給レーザークラッディング技術（主に同軸粉末供給と側軸粉末供給を含む）、高速レーザークラッディング技術、および高速ワイヤレーザークラッディング技術に分けられます。スペースが限られているため、Antarctic Bear では粉末供給レーザークラッディング技術についてのみ詳しく説明します。

同軸粉末供給レーザークラッディング技術
同軸粉末供給レーザークラッディング技術のクラッディングヘッドは、中心光出力の円形スポットソリューションを採用し、光線の周囲に同軸環状粉末供給またはマルチビーム周囲粉末供給を採用し、特殊なシールドガスチャネルを設置し、粉末ビーム、光線、シールドガスの流れが一点に収束します。クラッディング中、焦点の近くに溶融池が形成されます。クラッディングヘッドとワークピースが相対的に移動すると、ワークピースの表面に溶融池が形成され、すぐに凝固してクラッディング層になります。

△同軸粉末供給ノズル構造機の実写真この技術には以下の特徴があります。
1) 自由度が高く、自動化が容易。肉盛時に任意の方向に移動でき、均一な形態と同品質の肉盛層が得られるため、肉盛方向に制約がありません。産業用ロボットや多軸モーション工作機械と組み合わせることで、任意の経路や形状の部品の表面肉盛が可能です。3Dプリント用プリントヘッドとして使用すれば、レーザー同軸粉末供給3Dプリントが可能です。
2) 溶融池の不活性ガス保護効果が良好である。粉末供給方式は空気粉末供給であり、クラッディングヘッドには特殊な不活性ガス流路が設けられているため、クラッディング工程中の溶融池は良好な局所不活性ガス雰囲気となり、溶融池とクラッディング層の酸化が少なくなり、クラッディング層内の酸化物介在物が少なくなります。
3) 溶融池が小さく、粉末が均一に加熱され、クラッド層の耐亀裂性が良好です。同軸粉末供給レーザークラッディングのスポットサイズは、一般的に∮1〜∮5mmです。同時に、粉末は光線と均一に接触し、クラッディングプロセス中の熱伝達がより均一になるため、クラッディング層の耐亀裂性が良好になります。特に、タングステンカーバイドなどのセラミック粒子を含む複合材料のクラッディングでは、均一なタングステンカーバイド分布を持つクラックのないコーティングを簡単に作成できます。
4) 同軸粉末供給レーザークラッディング技術は、上記のような特徴から、スピンドル、ギア、ボックスなどの高精度部品や複雑な形状の部品の表面クラッディング修正や積層再製造によく使用されます。同時に、同軸粉末供給レーザークラッディング技術に基づく金属 3D プリントは、主に大型部品のニアネット成形や傾斜材料の製造に使用されます。

横軸粉末供給レーザークラッディング技術<br /> 近軸粉末供給レーザークラッディング技術は、横方向粉末供給レーザークラッディング技術とも呼ばれます。クラッディングヘッドは、長方形スポット+近軸ブロードバンド粉末供給ソリューションを採用しています。クラッディングヘッドが作動すると、合金粉末は2つの側面粉末供給ノズルを通じてワークピース表面に輸送されます。クラッディングヘッドとワークピースが相対的に移動すると、長方形または線形のレーザービームと側面粉末供給ビームがワークピース表面に収束して溶融池を形成し、冷却後にクラッディング層を形成します。

このテクノロジーには次の機能があります。
1) 高いクラッディング効率。側軸粉末供給レーザークラッディング技術は、長方形のスポットソリューションを採用しており、クラッディング方向のスポットのエネルギー密度が変わらないようにしながら、レーザー出力とスポット幅を増加させることができ、クラッディング効率が大幅に向上します。実際の生産では、1 回のパスでのクラッディング幅は 30 mm 以上に達し、クラッディング効率は 1 m2/h または 12 Kg/h に達します。
2) 不活性ガス消費なし。一方、側軸粉末供給レーザークラッディング技術は、一般的に重力粉末供給装置を使用し、不活性ガスの消費を必要としません。したがって、側軸粉末供給レーザークラッディング技術は、圧縮空気以外の他のガスの消費を必要としません。コストの観点から見ると、不活性ガスのコストが大幅に節約されます。技術的な観点から見ると、この技術には粉末材料の耐酸化性に関する特定の要件があり、その適用分野が制限されます。
3) 側軸粉末供給レーザークラッディング技術は、効率が高くコストが低いため、油圧シリンダーやローラーなど、大面積で形状が単純な部品の表面クラッディングや積層再製造に一般的に使用されています。

国内レーザー粉末供給プリントヘッドメーカー蘇州克徳<br /> 蘇州克来徳レーザーテクノロジー株式会社は、レーザー積層造形の分野で大きな進歩を遂げています。同社は蘇州大学レーザー製造技術研究所を拠点としています。主な製品と業務には、2kW-15kW円形スポットライト内部粉末供給ノズル、360°空間任意方向クラッディングノズル、40mm幅バンドクラッディングヘッド（20kW）、各種同期供給レーザークラッディング汎用および専用設備一式、およびレーザー製造、積層造形技術サービス、トレーニングなどがあります。

同社が開発した内部粉末供給ノズルなどのコア部品と設備は、国家重点研究開発計画の重点プロジェクトを含む10以上の国家科学技術計画の支援を受け、国内外の50以上のユニットに採用されており、この技術成果はCCTVニュース放送を含む多くのメディアで報道されている。

インライトパウダーデリバリー技術の原理<br /> ビーム内粉末供給技術は、従来の固体光線を中空の環状集束光線に変更し、光線を取り囲んで粉末供給（光に包まれた粉末）を傾斜・収束させる多重粉末管を、ビームの中心から噴霧された粉末を単一の粉末管が垂直に輸送する「ビーム内粉末供給」クラッディング技術（光に包まれた粉末）に変更します。従来のノズル技術と比較して、単管微細粉末供給と光、粉末、ガスの長距離精密結合を実現し、粉末火花飛散を大幅に削減し、作業スポットの端での光エネルギー分布を強化し、相対的に光エネルギーを20％節約し、粉末利用率を1〜2倍に高め、材料を節約し、環境に優しいです。成形部品の表面粗さをRa1〜12μmに低減し、粉末流路とノズル構造を簡素化し、ノズルの温度上昇を低減します。当社は、内部粉末供給ノズルをベースに、オーバーハング、キャビティ、多分岐、ねじれなどの特殊形状の複雑な構造部品の成形技術、垂直および上面クラッド、360°空間可変方向3D成形ノズル構造と技術を開発しました。当社は、インテリジェントな成形プロセスを実現するために、積層高さと溶融池温度の閉ループ適応型測定・制御ソフトウェアとハードウェアを開発しました。
技術的特徴:
1) 光、粉末、ガスは真に同軸であり、空間ジェットに干渉がなく、処理中に死角がなく、粉末火花が小さく、省エネと環境保護を実現します。
2) リング状の作業スポットスキャンのエネルギーピークが周辺部に移動し、「光サドル」を形成し、光エネルギー分布が合理的になる
3) 層間融合が良好で、層間マークや欠陥が少なく、溶融チャネルの両側の溶融が十分で、表面粗さが低い。設備紹介：このタイプの完全な設備は、レーザークラッディング技術（LENS）に基づいて開発された印刷設備です。主に科学研究機関と企業ユーザーを対象としています。中型および大型製品の印刷機能を備えており、5軸と関連サポートソフトウェアを装備できます。主にフェロアロイ、耐熱合金、チタンアルミニウム、銅合金の堆積成形に使用されます。代表的な印刷製品には、航空宇宙用耐荷重構造部品、高温合金ホットエンド部品、一体型ブレード、主要部品の修理および再製造などがあります。加工精度、表面粗さ、堆積効率、材料節約、環境保護指標、空間内のあらゆる方向への加工において、類似製品より優れています。

コアコンポーネントの紹介
1) インライン粉末供給プリントヘッドシリーズ
2) ±180°空間全周レーザークラッディング成形特許技術（下図）

主な応用分野
1) レーザー表面クラッディング（広帯域クラッディング、高速クラッディング）
レーザークラッディングと溶融メッキ技術は、油圧ストラットなどのさまざまな部品の再製造や、新製品の表面に高硬度、耐摩耗性、耐腐食性の材料をクラッディングする際に使用され、アーク溶接や電気メッキコーティングに代わるもので、耐用年数を10〜20か月から約36か月に延長します。
広帯域クラッディングを採用し、大面積にわたって高効率で、研磨代を小さく抑えながら、さまざまな厚さ（0.1～2mm）の各種機能性コーティングを一度に得ることができます。クラッド層は緻密で均一な構造を持ち、亀裂や気孔などの明らかな欠陥はありません。製造されたクラッド層は、高硬度、良好な靭性、優れた耐亀裂性、および高いコーティング表面の平坦性を備えています。電気化学的腐食性能試験、摩擦摩耗性能ともに超高速クラッディング（粉末を空気中で溶かして表面に吹き付ける熱溶射）よりも優れています。

高クロム鉄系合金 Fe55 コーティングの高速クラッディングプロセスは、従来のクラッディング技術に比べて熱入力がはるかに低く、コーティング要素の偏析を回避します。高速クラッディングでは、クラッディングの重なり跡がなく、微細構造の分布がより均一で、より薄いクラッディング層の厚さを得ることができます。従来のクラッディングコーティングの微細構造形態と比較すると、コーティング構造はより細かく、構造分布はより均一であり、コーティングの全体的な性能の向上に役立ちます。高速クラッディングプロセスでは、コーティングの希釈ゾーンはわずか8μmで、希釈率は約4％です。冶金接合の条件下では、希釈率はより低い範囲に制御されます。

2) 金型部品の修理
3) 石油化学バルブおよびポンプ部品の強化と修理

4) シャフト部品
△高速軸修理△軸頭内コーン穴修理5)冶金ローラー修理△コネクタ修理△プロファイルローラー強化6)その他産業部品強化修理
7) 複雑・特殊形状構造部品の成形複雑・特殊形状構造部品の応用分野としては、航空宇宙、機械、造船などがあります。この技術を使用することで、片持ち梁、ねじれ、閉鎖、狭い空間、内壁、不規則な表面など、さまざまな特殊形状の構造の全面的な空間修復、溶接、3D 成形を実現できます。
△先進的な航空機製造、原子力、化学工業生産、国防装備などの多要素ねじれ薄肉部品の開発過程では、半密閉または全密閉中空部品の製造の需要がよくあります。例えば、航空機のエンジンブレーキ、排気反応室、薄壁圧力容器のヘッド、燃焼室、密閉式インペラなど。
△ 花瓶、ひょうたん、薄肉中空球成形
△長い片持ち構造△支持のないファサードで形成された大型薄壁回転構造
8) 酸化されやすい航空材料の成形と移動式現場修理南極熊3Dプリントネットワークwww.nanjixiong.comは、チタン合金とアルミニウム合金は比強度が高く、高温と低温の性能があり、耐腐食性が優れているなどの利点があり、航空宇宙、医療などの分野で広く使用されていると指摘しました。チタン合金積層造形用の不活性ガス密閉ボックスの現状の問題、すなわち、加工部品のサイズがボックスによって制限される、不活性雰囲気の準備に時間がかかる、設備の移動が不便であるなどの問題に対し、Coled は開放型局所不活性ガス保護レーザークラッディング成形法を提案し、内部粉末供給と局所空気噴射を備えた新型一体型クラッディングノズルを独自に開発し、大気環境下でのチタン、アルミニウム、銅合金材料の直接レーザークラッディング成形を実現しました。
9) 大学、専門学校、科学研究機関向けのエンジニアリング型 6 関節レーザークラッディングロボット 3D プリンターは、主に大学、専門学校、科学研究機関を対象としており、科学研究、教育、処理サービスに使用できます。金属積層造形（3Dプリント）、レーザー切断や溶接などの加工や指導、ロボット工学、インテリジェント製造、CNCプログラミング、新素材開発などのコース指導にも使用できます。 CNC プログラミングと金属 3D プリントの知識を学習するための KUKA プログラミング教材 (ソフトウェアパッケージ) をサポートします。レーザークラッディング、溶接、切断などのさまざまな加工技術に対応し、1台のマシンで複数の用途を実現します。レーザーとさまざまな加工ヘッドはオプションで、個別のニーズに対応し、多軸ポジショナーとリニアスライドが装備されています。
△多機能機器構成図一式（オプション）
結論指向性エネルギー堆積（DED）技術は、その独自の処理方法とSLM技術よりも優れた成形効率により、金属3D印刷技術とさまざまな技術を組み合わせ、レーザー付加製造および減算製造システムと組み合わせることで、最終的にレーザー付加製造を真の高効率と高精度の道へと押し進めます。今後、我が国の指向性エネルギー堆積技術が世界の金属3Dプリント分野で高い地位を維持できるかどうかの鍵の一つは、粉末供給プリントヘッドなどのコア部品と設備の技術レベルの継続的な発展と突破にあります。

現在、レーザー積層造形技術は、航空宇宙、科学研究、原子力、造船などの重要な分野を中心に、さまざまな分野での成功例が日々増加しています。したがって、重要な「ボトルネック」問題に消極的にならないよう、コア技術をしっかりと自らの手に保持する必要がある。中国は、ハイエンドの付加製造が第2の「フォトリソグラフィー装置」になることを決して許してはならない。しかし、南極熊は、蘇州科楽徳、広州雷佳、西安ポリライト、中科宇辰、宇頂添加物、新京河、南京慧瑞、山東雷石、江蘇永年レーザー、天津亜辰聯合など、金属付加製造設備の開発と応用にたゆまぬ努力を続ける国内企業とともに、わが国の金属3Dプリント技術の発展が、激動する国際競争の潮流の中で必ずやローカリゼーションの場を切り開くと信じる理由があります。

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