金属 3D プリントのビーム成形の最適化がここにあります!

出典: LLNL

レーザービームによる金属 3D プリントの開発は刺激的ですが、まだ多くの欠陥があり、機械的特性を保証することは困難です。 LLNL の研究者は、3D プリントを最適化し、品質管理と安定したパフォーマンスを確保するために、ビーム成形にベッセルビームを使用する方法を研究しています。
レーザー 3D 印刷技術は、設計の複雑さを大幅に拡大することで金属部品の製造に革命をもたらしましたが、金属印刷に従来使用されてきたレーザービームは完璧ではなく、欠陥や機械的特性の低下につながる可能性があることは否定できません。ローレンス・リバモア国立研究所 (LLNL) の研究者たちは、この問題に対処するために、粉末床レーザー溶融 (LPBF) など、高出力レーザー印刷で一般的に使用されるガウスビームの代替形状を研究しています。彼らの最新の研究は『Science Advances』に掲載されました。

研究者たちは、回折せず自己修復するという特殊な特性を持つ、独特な形状をした光線であるベッセルビームの実験を行った。研究では、このビームの適用により、孔や「キーホール」の形成の可能性が低減することがわかりました。LPBF でのガウスビームの適用により、「キーホール」と呼ばれる孔誘発現象が発生しました。

この研究は、ベッセルビームなどの代替形状により、レーザーが金属粉末に当たったときに発生する大きな熱勾配と不安定な複雑な溶融プールという LBPF 技術の主な問題を軽減できることを実証しています。これらの問題は主に、高出力レーザーシステムによって出力されるガウスビーム形状によって発生します。

「ガウスビームの使用は、火炎放射器で食べ物を調理するのと非常に似ています。ターゲット材料の周囲への熱の蓄積をうまく制御するのは困難です」と、LLNL の研究科学者でこの研究の主執筆者であるトゥムクル・ウマナスは述べています。「ベッセルビームを使用すると、エネルギーの一部を中心から遠ざけて再分配できます。つまり、熱プロファイルを設計して熱勾配を減らし、微細構造の粒子を改良し、最終的に表面を滑らかにし、コンポーネントの密度を高めることができます。」
各ビームの変換（左下はベッセルビームの出力）出典：www.wnlo.cn
ベッセルビームは従来のガウスビーム形状を超え、レーザースキャンパラメータを大幅に拡張し、従来のビームによって引き起こされる多くの問題を回避します。研究の予想される結果は、溶融池が浅くなりすぎず、キーホールが現れないことです。従来のビームでは、レーザーは強力な蒸気を生成し、構築プロセス中に金属基板に深い空洞を形成します。キーホールにより溶融池に気泡が発生し、多孔性が生じて完成部品の機械的特性が劣化する可能性があります。

従来のビームのもう 1 つの欠点は、伝播するときに回折する傾向があることです。一方、ベッセルビームは非回折性のため、より深い焦点深度が得られます。研究者たちは、ベッセルビームを使用した場合、レーザー焦点に対するワークピースの配置許容範囲が増加することを観察しました。配置は産業システムにとって課題であり、通常、金属粉末の各層を、堆積時に集束ビームの焦点深度内に配置するには高価で繊細な技術が必要です。

「ベッセルビームは非回折性と自己修復性があるため、画像化、顕微鏡検査、その他の光学用途で広く使用されていますが、レーザー製造用途ではビーム成形は一般的ではありませんでした」とトゥムクル氏は説明します。「私たちの研究は、溶融池のダイナミクスを制御するためにビーム形状を統合および設計することで、金属付加製造における光学物理学と材料工学の断絶に対処します。」

LLNL チームは、レーザーを 2 つの円錐レンズに通し、次に他の光学系とスキャナーに通して中央のビームの周りにリングを形成することで、ビームを「成形」しました。研究者たちは、実験装置を使い、研究室の商用印刷機を使ってステンレス鋼の粉末から立方体やその他の形状を印刷した。研究者らは高速画像撮影を使用して溶融池のダイナミクスを研究し、溶融池の乱流が大幅に減少し、「はね返り」が減少することを確認した。スパッタとは、溶融金属粒子がレーザーの経路から飛び出すことで、多くの場合、気孔の形成につながります。

機械的な研究とシミュレーションにより、チームは、ベッセル梁で作られた部品は、従来のガウス梁で作られた構造物よりも密度が高く、強度が高く、引張特性が優れていることを発見しました。「業界では、欠陥を最小限に抑えるために、LPBF プロセスの制御を強化することを長い間模索してきました」と、このプロジェクトの主任研究者である Ibo Matthews 氏は述べています。「ビームに複雑な構造を導入することで、レーザーと材料の相互作用、熱堆積、そして最終的には印刷品質を正確に制御する柔軟性が高まります。」

LLNL
LLNL のコンピューター科学者 Saad Khairallah 氏は、LLNL が開発したマルチフィジックスコードである ALE3D を使用して、ガウスおよびベッセルビームのレーザー形状と金属粉末材料の個々の軌道との相互作用をシミュレートしました。軌道を比較することで、ベッセルビームはガウスビームよりも優れた熱勾配を示し、より優れた微細構造の形成を促進することがわかりました。同時に、ベッセルビームを使用してエネルギー分散を改善し、ガウスビームでの「ホットスポット」の形成を回避しました。ホットスポットが形成されると、深い溶融プールが生成され、気孔が形成されます。

「ビーム成形は、LLNL が 3D 印刷された金属部品の品質を向上させるために調査している多くの方法の 1 つにすぎません。この方法は、単純な光学要素を統合することで、ガウスビームで部品を製造するために通常必要な後処理技術にかかる費用と時間を削減できます。これは、交互スキャンのコストよりも明らかに有利です。強度があり欠陥のない部品の製造と、コスト効率の高い方法での大型構造物の印刷は、一般的な傾向です。3D 印刷を業界標準と真に互換性のあるものにし、従来の製造方法を超え、交互スキャン技術によってもたらされる統合の課題を回避するには、ビーム成形を継続的に調査し、さまざまな金属の印刷に広く適用できるようにし、商用印刷システムに組み込む必要があります。」

GE Global Research and Development との継続的な協力の一環として、LLNL の研究者は現在、他のビーム成形戦略を実験しており、印刷部品の品質をより適切に制御するために、高度なレーザービームと偏光成形方法を調査する予定です。

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