極限まで集中したビーム！ LLNLの研究者はレーザービームを「成形」することでLPBF金属3Dプリントを改良した

2021年9月29日、アンタークティックベアは、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の研究者が、従来の金属3Dプリント技術におけるレーザービームの欠点を解決するために、レーザービームを成形する方法を試みていることを知りました。
研究者らは、レーザー粉末床溶融結合法（LPBF）などのレーザー3D印刷プロセスで一般的に使用されるガウスビームの代替形状を改善することで、機械的特性の低下につながる金属部品の多孔性と欠陥を減らすことを期待しています。
これらの問題を克服するために、研究者たちはベッセルビームと呼ばれる特殊なビーム形状によって、空隙形成と「結合」の可能性をどのように低減できるかを研究しています。一般的に、完成した部品の多孔性は、溶融池で発生した気泡によって発生することが多いです。
「ガウスビームの使用は、火炎放射器を使って食べ物を調理するのによく似ています。材料の周囲への熱の蓄積を制御するのが困難です」と、LLNL の研究科学者でこの研究の主執筆者である ThejTumkur Umanath 氏は言います。「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、熱勾配を減らす熱プロファイルを設計して、微細構造の粒子の微細化を促進し、最終的に表面がより滑らかな高密度の部品を製造できるということです。」
△LLNL の研究者は、金属 3D プリントにおける多孔性と欠陥に対処するためにベッセルビームの実験を行っています。写真はVeronica Chen/LLLによるものです。
従来のプロセスにおけるレーザービームの欠点<br /> 既存の高出力レーザーシステムのほとんどはガウスビーム形状を使用していることがわかっています。このようなレーザーベースの 3D 印刷技術により、金属部品の製造における設計の複雑さが増す一方で、望ましくない多孔性が生じ、機械的特性が低下する可能性もあります。
近年、科学者たちは、LPBF 3D 印刷技術を改善し、金属印刷部品の欠陥を回避するために、この分野でかなりの研究を行ってきました。これらの取り組みには、粉末を溶かすためにレーザーの代わりに LED を使用すること、"スマート" ビルドプレートを開発すること、ビルドチャンバー内の熱のバランスを改善して部品の残留応力と変形を減らすことなどが含まれます。
現在、LLNL チームは、比較的低コストのレーザービーム成形方法によって LPBF 印刷プロセスをさらに強化し、印刷された金属部品の多孔性を低減できるかどうかを調査しています。
△ガウスビームとベッセルビームの形状の強度分布。画像はScience Advancesより。
ガウスビームとベッセルビーム<br /> LLNL の研究者によると、LPBF 3D 印刷プロセスでガウスビームを使用すると、レーザーが金属粉末と出会う場所で生成される複雑な溶融プールに大きな熱勾配と不安定性が生じる可能性があります。ガウスビームは結合を引き起こす可能性があり、完成部品の機械的特性の劣化につながる可能性があります。
ガウスビームとは異なり、ベッセルビームは非回折性であり、伝播する際に発散しません。ベッセルビームの形状はブルズアイパターンを連想させ、非回折であることに加えて、自己修復などの他の独自の特性も備えています。
ベッセルビームの非回折特性により、焦点深度が深くなり、レーザー焦点に対するワークピースの位置に対する許容範囲が広がります。その結果、付加製造企業は、金属粉末の各層を堆積した後にレーザーの焦点深度内で進行中の造形を再配置する必要があった、これまでの高価な技術から脱却できる可能性があります。
これらの特性により、LLNL の研究者はベッセルビームの形状を実験し、LPBF 3D プリンティングにおける最も差し迫った問題のいくつかを克服できるかどうかを調べました。
トゥムクル氏はさらに、「ベッセルビームは非回折性と自己修復性を備えているため、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、レーザーベースの製造用途ではビーム形状エンジニアリング手法はあまり一般的ではありません。私たちの研究は、デザイナービーム形状を使用して溶融プールのダイナミクスを制御することで、金属付加製造の分野における光学物理学と材料工学の間の一見すると断絶している問題に対処しています」と述べました。
△ビーム形状が溶融池サイズに与える影響（A-ガウスビーム、B-ベッセルビーム）。画像はScience Advancesより。
実験的ビーム成形<br /> ベッセルビーム形状を実現するために、LLML の研究者はレーザーを 2 つの円錐レンズに通してドーナツ形状を作成しました。次に、追加の光学系とスキャナーを通過して、中央のビームの周りにリングを形成します。この装置は、LLNL の先進製造研究所にある市販の 3D プリンターに設置されており、立方体やその他の形状を作成するための原料としてステンレス鋼の粉末を使用します。
レーザービーム成形実験の効果を研究するために、研究者らは高速イメージングを使用しました。溶融プールのダイナミクスを観察すると、溶融プールの乱流が大幅に減少し、スパッタ（製造プロセス中にレーザー経路から飛び出す溶融金属粒子）が大幅に軽減されたことが示されました。金属 3D プリント部品に多孔性を形成する原因となるのはスパッタであるため、この望ましくない影響を軽減することは、LPBF プロセスの改善に向けた前向きな一歩となる可能性があります。
「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、この研究の主任研究者である Ibo Matthews 氏は述べています。「レーザー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の品質を正確に制御する柔軟性が高まります。」
研究チームはさまざまな機械的研究とシミュレーションも実施し、ベッセルビームを使用して作られた部品は、従来のガウスビームを使用して作られた部品よりも密度が高く、強度が高く、伸縮性が高いことを発見しました。
研究者らは、ガウスビームとベッセルビームのレーザー形状と金属粉末の単一トラックとの相互作用をシミュレートし、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た。したがって、これは「ホットスポット」の発生を回避しながら、より優れた微細構造の形成につながることが期待されます。
△ 固定された（A）ガウスビームと（B）ベッセルビームによって生成された溶融プールの高速スナップショット、照明時間 = 5 ms。画像はScience Advancesより。
ビームシェーピングの利点<br /> 研究者たちは、他のスキャン戦略に比べて低コストであるため、ビーム成形を通じて LPBF 3D プリント金属部品の品質を向上させることを目指しました。シンプルな光学部品を組み込むことで、この方法はわずかなコストで実行でき、ガウスビームで構築された部品に必要な高価で時間のかかる後処理技術が不要になります。
「強度があり欠陥のない部品を生産し、非常に大きな構造物をコスト効率よく印刷するニーズが高まっています」とトゥムクル氏は語る。「3D 印刷が産業標準と真に適合し、従来の製造方法を上回るためには、非常に短い時間枠で微細構造の規模で発生するいくつかの基本的な問題を解決する必要があります。」
このプロジェクトは、LLNL と GE Global Research の継続的な共同研究の一環であり、研究チームは他のビーム成形技術の実験も行っています。今後、研究者らは、印刷された部品の品質管理を向上させるために、高度なレーザービームと偏光成形技術の開発を目指します。
トゥムクル氏はさらにこう語った。「ビーム成形は、さまざまな金属の印刷に適用でき、どこにでも存在し、他の代替技術のような大きな統合上の課題を伴わずに商業印刷システムに簡単に組み込むことができるため、本当に最適な方法だと思います。」
この研究に関する詳細は、Science Advances 誌に掲載された「金属付加製造における光熱制御強化のための非回折ビーム成形」という論文に記載されています。この研究は、T. Voisin、R. Shi、P. Depond、T. Roehling、S. Wu、M. Crumb、J. Roehling、G. Guss、T. Tumkur、S. Khairallah、M. Matthews が共同執筆しました。
関連論文リンク: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abg9358

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