高出力13KWダイナミックビームレーザー、速度が1000倍に向上したCBC金属3Dプリント技術

はじめに: 最近、ドイツの研究機関 Fraunhofer IWS は、現在のガルバノメータベースのレーザー製造技術よりも「1000 倍」高速になる可能性のある 3D 印刷システムをテストしていることを明らかにしました。アンタークティック・ベアは、この新しい金属 3D プリント技術の実現可能性が認定されれば、3D プリント業界に革命をもたらし、金属部品の大規模な積層造形への道を開くだろうと考えています。
△レーザー積層造形同研究所の装置は、13KWの高出力「ダイナミックビームレーザー」に焦点を当てており、さまざまなエネルギー分布パターンを迅速に生成し、非常に複雑な材料を正確に印刷できると報告されています。フラウンホーファーIWSのアンドレアス・ヴェッツィグ氏によると、この技術は金属3Dプリントの限界を押し広げ、医療、電気自動車、航空宇宙分野の幅広い用途に新しい合金を生み出すことになるという。

CBC 3D プリント技術のインストールとアプリケーション<br /> この画期的な技術は、もともとイスラエルの Civan Lasers 社と Fraunhofer IWS 社によって、コヒーレントビームを使用した金属 3D プリント用に開発されました。高出力レーザー技術の最高峰とされるこの方法では、レーザー光を複数のコヒーレントビームに分割して増幅し、それらを強力な単一のビームに組み合わせます。
Civan Lasers の場合、ビームの一部の小さな位相シフトを使用してエネルギー分布パターンを変調する方法が開発されました。既存のレーザーと比較すると、ダイナミックビームレーザーはビームの中心でエネルギーの大部分を放出するため、部品を複雑な「リング」や「馬蹄形」の形状にすることができます。
理論的には、ビーム偏向光学系または高速ガルバノメータを使用することで、これはすでに可能ですが、各再調整には数ミリ秒かかります。しかし、Civan Lasers 社の方法ははるかに高速で、レーザーのエネルギーパターンをマイクロ秒単位で調整できるため、初めて動的ビームシェーピングを産業規模の金属 3D プリントに使用できるようになる可能性があります。ダイナミックビームレーザーは現在、設置のためエルサレムからドレスデンのフラウンホーファーIWSに輸送されています。
△エンジニアがドレスデンのフラウンホーファーIWSにエルサレムの「ダイナミックビームレーザー」を設置している。写真提供：Fraunhofer IWS
Fraunhofer IWS と「ShapeAM」。
EU が支援する「M-era.Net」イニシアチブ内の「ShapeAM」プロジェクトの一環として、Civan Lasers は Fraunhofer IWS のドレスデン拠点に「CIVAN」と呼ばれる新しいシステムを設置しました。 ShapeAM チームは、溶接専門会社 Laser Welding Solutions の同僚と協力して、最終的な目標は「材料特性が改善された」チタンとアルミニウムの 3D プリント部品を開発することだと述べています。この製品は、Nanjixiong のグローバル 3D プリント製品ライブラリ product.nanjixiong.com に収録されます。
具体的には、研究者らは動的ビーム成形を使用して部品の欠陥を排除し、亀裂に敏感な材料によって引き起こされる多くの既存の課題を克服する予定です。そうすることで、宇宙でのミッションに合わせた部品や生体適合性を高めたインプラントなど、用途に応じた価値を持つ金属部品を作成することも可能になるかもしれないと研究チームは考えています。
ダイナミックビームレーザーの能力を評価するために、Fraunhofer IWS と Civan Lasers の専門家は、まずビームプロファイルと材料の基本テストを実施し、通常は加工が難しい合金からさまざまな物体を切断、接合、または 3D プリントする能力を評価することで、最終用途を決定する予定です。
プロジェクトは2021年7月に始まったばかりですが、フラウンホーファーIWSはすでに、CIVANが3Dプリントプロセス中の溶融プールのダイナミクスの「より高速で正確な制御」を提供すると予測しています。他の分野では、レーザー切断に関しても、ダイナミックビームレーザーが現在のファイバーレーザーの 2 倍の速度を実現し、優れたエッジ品質でバリのない切断を実現できると研究所は期待しています。
2021 年 9 月 14 日、フラウンホーファー IWS はウェビナーを開催し、潜在的な産業界および研究パートナーと実験について詳細に議論します。この技術のテストに関心のある方は、CBC レーザーを独自のアプリケーションで使用することをお勧めいたします。ただし、その後の調査結果は、2021 年 12 月 7 日から 9 日まで開催されるレーザーシンポジウムおよび ISAM 2021 で発表されることになります。
△新型「CIVAN」は金属3Dプリントにおける動的ビームフォーミングを可能にすると期待されています。写真提供：Fraunhofer IWS
高出力レーザー 3D プリント<br /> Fraunhofer IWS が試験中の CBC ベースのシステムとは異なり、現在の多くの金属 3D プリンターは単一の 1kW レーザーの使用に制限されています。これに対処するため、メーカーはプリンターに複数の高出力レーザーと大きな造形体積を搭載し、産業規模のアプリケーションの可能性を秘めた巨大なマシンを製造するケースが増えています。
これを念頭に、SLM Solutions は昨年の Formnext Connect ショーで強力な新型 NXG XII 600 3D プリンターを発表しました。この装置には1kWのレーザーが12個搭載されており、自動車や航空宇宙分野の企業による大型部品の大量生産向けに設計されており、すでに「欧州の大手OEM」から関心を集めている。
同様に、Farsoon Technologies は、TCT Asia 2021 で、8 基もの 1,000W レーザーを搭載した新しい粉末床溶融結合 (PBF) 3D プリンターを発表しました。 Farsoon のシステムには、FS721M-8 と縮小版の FS721M の 2 つの設定があり、顧客は自動車、ツール、産業分野のアプリケーションの製造コストを削減できます。
200 万個のレーザーポイントを備えた Seurat の金属「エリア 3D プリント」技術により、速度が 1,000 倍向上

2021年7月1日、Antarctic Bearは、金属3Dプリントの新興企業Seurat Technologiesが最近、投資会社Capricorn Fundが主導するシリーズB資金調達で4,100万米ドル（約2億6,500万人民元）を調達したことを知りました。

セラ社はこの資金を使って「地域印刷プロセス」の研究開発と商業化を加速させ続ける予定だと報じられている。これは、200 万個のレーザーポイントを使用して部品の大規模な 3D プリントを実現する革新的な 3D プリントテクノロジーです。これは、材料を溶かすために約 100 万個のダイオードレーザーを使用するというEOSの以前の発表と似ています。
△セラの200万レーザー「地域印刷プロセス」は金属部品を印刷できる
△EOSのLaserProFusionテクノロジーは、約100万個のダイオードレーザーを使用して材料を溶かし、層ごとに部品を製造します。ナイロン粉末材料に適しています。
しかし、技術的な原理は異なります。Seurat 社の新技術では、レーザー光源の数を増やすのではなく、まったく新しいビーム処理方法を使用して、毎回の溶解量を増やします。従来の金属積層造形システムのスポット径は 100 ミクロンです。単一レーザーシステムでは、直径 100 ミクロンのレーザーを使用してスキャンと印刷を行います。 Seurat システムは、15 平方ミリメートルの正方形の領域に 200 万個のレーザースポットを照射します。各光スポットの直径は約 10 ミクロンで、一度に 1 つの領域が印刷されることになります。
分析してみると、このテクノロジーの威力を理解しやすくなるかもしれません。

レーザー印刷の照射効率で見ると、Seuratのスポット面積は15平方ミリメートルに相当するのに対し、直径100ミクロンの従来の単一レーザーのスポット面積はわずか0.0078平方ミリメートルで、その差は1,000倍近くあります。つまり、溶融効率は単一レーザーシステムの最大1,000倍を達成できることになります。

レーザー印刷の精度と解像度に関して言えば、Seurat の精度は従来の単一レーザーの 10 倍に達します。

既存の金属積層造形法の中で最も効率的な 2 つのプロセスは、アークヒューズとバインダージェッティングです。アークヒューズは、ワイヤベースの溶接プロセスを使用して材料を堆積します。ただし、アークヒューズの印刷精度は非常に低く、印刷できる最小の特徴サイズは 5 ～ 10 mm です。バインダージェッティングはインクジェット印刷技術に基づいており、高い生産速度でグリーン部品を印刷できますが、印刷後に焼結するという 2 段階のプロセスがあるため、この技術を習得するのは困難です。現在、これら 2 つの技術的方法を使用することで、1 時間あたり 400 ～ 1,500 立方センチメートルの印刷速度を実現できます。
Seurat のゾーン印刷技術は、既存の金属 3D 印刷技術よりもはるかに生産性に優れています。アークフューズよりもさらに高速に印刷しながら、レーザーパウダーベッドフュージョンの精度と解像度を維持し、表面品質と部品の柔軟性をさらに向上させる可能性があります。