概要: 3D プリントされた金属部品のレーザー研磨 (パート 2)

出典: 江蘇レーザー連盟

はじめに：このレビューでは、主に3Dプリント鋼材におけるレーザー研磨技術の応用状況を紹介します。前の記事の続き：概要：3Dプリント金属部品のレーザー研磨（I） https://www.nanjixiong.com/thread-147626-1-1.html

2.2 3Dプリント鋼材へのレーザー研磨技術の応用
Lamikiz らは、熱間加工焼き入れ工具鋼 (DIN 1.2344) に対するレーザー相互作用の結果を調べ、3D 印刷中の元の形態に関係なく、得られた最終的な表面粗さはほぼ同じであることを発見しました。平均表面粗さは、単純なワイヤー研磨とレーザー表面研磨によって 76.45% から 23.8% に減少しました。別の研究では、レーザー焼結後のDIN C45鋼とDIN X40CrMoV51工具鋼のさまざまな表面形態を分析しました。前者はレーザー研磨後に研削加工と放電加工を施し、後者はボールミル加工を最終加工結果として使用します。焦点距離とスキャン速度を一定に保つことで、1500 W と 1700 W で最も低い表面粗さの値が達成されます。 DIN X40CrMoV51工具鋼を加工する場合、最小表面粗さは0.356μm、レーザー出力は800W、レーザー焦点距離は33mmです。 X2CrNiMo17-2-2鋼（コード名1.4404）の表面形態を研究したところ、表面粗さの下限値は12.5μm～0.35μm、走査速度は4cm2/分、ナノファイバーレーザーが使用されたことが判明しました。 300 グレードのマルエージング鋼のレーザー研磨では、パルス周波数が 5 kHz の場合、ほぼすべてのパラメータの組み合わせで追加のスパッタが存在することが明らかになりました。この周波数をさらに上げると、12 W を超える電力で溶融池の不安定性が観察されました。レーザー出力が25W〜50Wの場合、スキャン速度とスキャン間隔の変化に伴う表面粗さの調査結果を以下の図1に示します。図から、レーザー出力が 25 W の場合には表面粗さに大きな変化がないことがわかります。レーザー出力が 50 W で、スキャン速度が 200 mm/s を超えると、粗さは 1 μm 未満になります。

▲図1. 異なるレーザー出力、異なる走査速度、走査間隔でレーザー研磨した後の粗さ: (a) 25 W、(b) 50 W
Yasa らは、レーザー研磨中に SLM によって製造された 316L ステンレス鋼の密度、表面品質、微細構造の変化について広範な研究を実施しました。 SLM 製造によって生じる気孔を完全に除去するために、図 2 に示すように、SLM プロセス中に各層を再溶融しました。これは、堆積された各層が再溶融プロセスを経て、次の粉末層が広げられるときに同じ溶融層が再スキャンプロセスを経ることを意味します。この操作により製品の製造時間は長くなりますが、気孔率を 1% 以内に制御し、亀裂の発生と拡大を防ぐ唯一の方法です。金属組織観察により、SLM 製部品の気孔率は、レーザー再溶融した場合とレーザー再溶融しない場合でそれぞれ 0.036% (ほぼ 100% の密度に相当) と 0.77% でした。 SLM製部品の表面粗さは再溶融前は約12μmでしたが、レーザー再溶融後の表面粗さは1.5μmに減少し、約90％の改善が見られました。 SLM 製造のマイクロ加工機能を向上させるために、プロセスを選択的レーザーエロージョン (SLE) と組み合わせて、SLM 部品から材料を選択的に除去します。 SLE を使用した材料の粗さの低減はレーザー再溶融ほど良くはありませんが、それでも 50% 低減でき、その速度はレーザー再溶融よりも高速です。 SLE と SLM が統合されているため、SLM プロセスを使用して、50 ～ 100 μm の値の微細特徴を持つ構造を製造することができます。また、この戦略ではすでに凝固した材料を再溶融するため、各層で微細化された粒子とほぼ 100% の密度が得られることがわかりました。これは、多孔度がわずか 1% であっても、得られた部品が機械的特性に大きな影響を与えるためです。製造方向と堆積方向に垂直な方向の平均粗さが異なる LMD 部品を調査しました。レーザー出力と熱入力が高い条件下では、再溶融後に堆積方向と垂直方向の両方で表面粗さが大きくなることがわかりましたが、レーザー出力 200 W、スキャン速度 500 mm/分ではそのような現象は観察されませんでした。

▲図2. (a) レーザー再溶融の模式図と(b) レーザー照射による表面粗さへの影響
Rosa らは、レーザー積層造形法で製造された 316L ステンレス鋼の薄肉で複雑な形状の部品に対するレーザー研磨技術の効果を研究しました。レーザー出力、粉末供給速度、オーバーラップ比、レーザー研磨戦略が部品に与える影響を研究しました。この実現可能性調査を通じて、複数回スキャンすることで表面粗さをさらに低減できることが確認できました。最適化されたプロセスパラメータの下では、レーザー研磨により、初期粗さ (Sa) 21 μm を 5 回の繰り返しスキャン後の最終粗さ 1 μm まで低減でき、96% の低減となります。 Yb 増強ナノ秒ファイバーレーザーを使用して、SLM によって製造された 316L ステンレス鋼の表面に対するレーザーエネルギーとパルスオーバーラップの影響を調査しました。最適化されたパラメータが、レーザーエネルギー9J/cm2、スキャン方向のオーバーラップ率95％、スキャン間隔方向のオーバーラップ率88〜91％の場合、大気条件下でレーザー研磨を実行した場合、表面粗さは3.8μmから0.2μmに減少し、酸化膜の厚さは約0.5μmになります。レーザー研磨では、Ar雰囲気下とN2雰囲気下の条件を比較すると、Ar雰囲気下で得られる酸化膜の厚さが最も薄くなります。酸化膜の存在を確認するために、レーザー研磨された接合部と研磨されていない接合部を EDX 表面スキャンとラインスキャンで分析しました。結果を下の図 3 に示します。 EDX 表面スキャンの結果、研磨された領域には 26.3wt% の酸素が存在し、研磨されていない領域には 0.8wt% の酸素が存在することが明らかになりました。高エネルギー入力では、研磨された領域の微小硬度が 60% 増加します。
▲図3。(a)レーザー研磨部とレーザー未研磨部の接続部における微細接合部、(b)EDX組成表面スキャン結果 ▲図4。表面形態:(a)元の材料表面、(b)レーザー研磨後の表面、レーザーパラメータ:5 J/cm2、OPx:95%、OPy:95%、(c)Ed:5 J/cm2、OPx:95%、OPy:85%、(d)Ed:5 J/cm2、OPx:82%、OPy:85%
図 5 は、さまざまなプロセスパラメータの組み合わせでレーザー研磨した後、堆積された 3D プリントサンプルの 3D 表面形態を示しています。図 5b では、レーザー研磨後に小さな隆起があることが観察されます。これは、X 正方形と Y 正方形の両方の重なり率が 95% のときに表面のマイクロアブレーションと再溶融が発生したことを示しています。これを使用して、これらのパラメータの下での熱エネルギーの高集中を説明できます。 OPyを85%に減らすと、表面仕上げは96%向上し、元の材料と比較してSaは3.78μmから0.14μmに減少します。しかし、図 5c では交差したマークが観察されました。 OPx と OPy がさらに減少すると、図 5d に示すように表面にピットと細孔が形成され、表面粗さ Sa が 1.73 μm に増加します。これは、熱吸収が低下し、材料が適切に溶融されないことを示しています。
図 5. 空気中でレーザー研磨した後のレーザー製立方体 S1、S2a、S2b の表面形態。レーザーエネルギーは、(a) 20 J/cm2、(b) - (c) 9 J/cm2、(d) S3 です。保護雰囲気は Ar ガスで、レーザーエネルギーは 9 J/cm2 です。
レーザー AM 部品をレーザー研磨すると、空気条件下でレーザーエネルギー Ed = 20 J/cm2 の場合、表面は黒または暗褐色になります (S1)。一方、レーザーエネルギーが 9 J/cm2 の場合、レーザー研磨された表面は明るい茶色になります (S2a および S2b)。Ar 雰囲気下では、銀色または明るい金属色になります (S3)。照射領域と SOM 領域を組み合わせると、S1 条件下では表面粗さが増加し、堆積直後の表面の Sa 3.2 μm と比較して 5.9 ～ 6.4 μm の範囲になります。一方、SSM 領域では、S2a および S2b の場合、粗さは 82 ～ 92% 減少し、Sa 値は 0.23 ～ 0.52 μm の範囲になります。 S3 サンプルでも同様に粗さが減少し、Sa は 0.25 ～ 0.29 μm の範囲で 90 ～ 92% に減少しました。下の図 7 は、レーザー研磨後の Alicona の画像を示しています。この画像から、レーザー研磨プロセス後の SS316L ワークピースの直接製造において、高い再現性が見られることがわかります。図 7 は研磨アプリケーションの実際の例を示しています。図 8 は、レーザー研磨前後の 3D プリント工具鋼の表面光学形態の比較です。

▲図6 (a) DM SS316L部品のレーザー研磨中の領域、(b) 堆積状態のSS316L部品、(c) レーザー研磨後の金属表面（加工領域：287×218μm）図7. レーザー研磨後の3Dプリント自由曲面の表面応用例： ▲図解：a. 3Dモデルとレイヤーの分解、b. ロボット制御システム、c. レーザー研磨前後の3Dプリントプロトタイプの実際の写真の比較 ▲図8. レーザー研磨前後の3Dプリント工具鋼の表面光学プロファイル：a. レーザー研磨なしの結果、b. レーザー研磨後の結果引き続き、江蘇レーザーアライアンスレーザーレッドは皆様の継続的なご注目を心よりお待ちしております。

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