概要: 3D プリントされた金属部品のレーザー研磨 (パート 1)

出典: 江蘇レーザー連盟

はじめに：このレビューでは、主にLaserFormTM ST-100、鋼、アルミニウム、Co-Cr合金、ニッケル基合金、チタン合金の表面におけるレーザー研磨技術の研究結果を紹介します。各材料の表面の完全性、機械的特性、最適化されたプロセスパラメータに重点が置かれています。

まとめ
3D プリンティングは、従来の製造プロセスに比べてほんのわずかな時間で複雑な金属部品を製造できる新しい技術です。 3D プリンティングは、CAD モデルに基づいて金属機能部品を層ごとに積み重ねて直接製造することができます。製造された金属部品は表面が非常に粗い場合が多く、金属印刷部品の最終要件を満たすためには、その後の処理で表面粗さを除去する必要があります。従来の後続処理技術を自由成形部品に適用することは、時間がかかること、高度なスキルを持つ作業員が必要であること、自動化の程度が限られていることなどの理由から、大きく制限されています。レーザー研磨は、3D プリントされた金属部品の表面を自動化し、満足のいく結果を達成するために使用できる、高容量、非接触、完全自動化プロセスです。レーザー研磨では、物体の表面にレーザーを照射すると、表面の隆起した山が薄い層に溶け、表面張力と重力の作用により谷間に再分布します。レーザー研磨は、高反射率のアルミニウム合金から高強度材料のインコネルやチタン合金まで、材料特性の変化に応じて材料の研磨能力が異なります。本稿では、3D 印刷技術によって製造されたさまざまな金属部品の表面の完全性と機械的特性におけるレーザー相互作用による変化について検討します。一方、レーザー出力、ビーム径、スキャン速度、スキャンピッチなどの最適化されたプロセスパラメータの効果についても説明します。

はじめに<br /> 最初の付加製造技術、つまり 3D 印刷技術は、1990 年代半ばに視覚的なコンセプトやプロトタイプを作成するために使用されました。継続的な研究と改良により、3D プリンティング技術はラピッドプロトタイピングからラピッドマニュファクチャリングへと移行し、最終用途の部品を 1 つのステップで製造できるアプリケーションの実現が促進されました。 3D プリント技術では、CAD モデルに基づいて金属部品を直接製造できます。これらの技術では、材料を層ごとに溶かしたり堆積したりすることで部品が製造されます。すべての金属印刷技術の中でも、SLM 技術は、その自由形状成形と靭性や強度などの独自の機械的特性により、大きな注目を集めています。 SLM に加えて、LMD または LENS も非常に興味深いものです。この技術は SLM よりも柔軟性が高いためです。SLM とは異なり、LMD では材料を層ごとに堆積させて部品を作成します。材料の使用方法に関係なく、金属 3D プリント部品は、層の積み重ね、製造プロセス、粉末の直径により、表面が粗くなることがよくあります。同時に、3D プリントされた部品は、材料の溶融と材料の同時冷却の結果であり、製造中に材料と雰囲気に存在する元素によって相変化が発生する可能性があります。この種の化学相変態は、部品の表面の完全性（つまり、表面形態と表面冶金）に間違いなく影響を及ぼします。手作業による研磨、サンドブラスト、超音波研磨、電気化学研磨、化学研磨などの伝統的な研磨技術が長年にわたって使用されてきました。これらの従来の研磨技術の問題点は、一部の材料の研磨が難しく時間がかかること、複雑な形状への適応性が低いこと、自動化が不十分なことなどです。

レーザー技術は研磨など多くの工学分野で使用されてきました。従来の研磨技術と比較すると、レーザー研磨技術ではその欠点がほぼすべて解消されています。優れた柔軟性、非接触、環境に優しい、ほぼ完全に自動化されているという利点により、人々はこの技術を金属印刷部品の表面処理に適用するようになっており、 SLS、SLM、LMD、LENS などの 3D プリント部品は、密度がほぼ 98 ～ 99% の部品を製造できます。しかし、今日に至るまで、部品の疲労強度が低く破損しやすいため、密度 98% でも十分ではない用途がまだ多くあります。 100パーセントの密度を達成するために、研究者たちは堆積した各層を再溶融する戦略を採用しました。この方法は、製造される部品の密度を高めますが、製造時間も長くなります。しかし、現在、100% の密度の部品を実現できる唯一の製造方法です。しかし、この再溶融技術は部品の表面に直接適用することができ、表面品質を向上させ、表面粗さを低減することができ、この技術はレーザー再表面処理と呼ばれます。レーザー再表面処理は、表面スキャン、レーザー再表面処理、レーザー研磨とも呼ばれます。

レーザー研磨の原理は、薄い表面層の再溶融と急速な凝固です。過去数十年にわたり、レーザー表面研磨は機能が継続的に向上し、金属、セラミック、ポリマーなどの材料の表面粗さを低減できるようになりました。従来の表面研磨技術とは異なり、レーザー研磨では熱エネルギーを使用して表面層の材料を溶かし、滑らかな表面を作成します。レーザー研磨では、レーザービームを精密に制御し、材料表面に直接照射して研磨を行います。レーザービームのエネルギー/強度は、表面の山がちょうど溶け、溶融した材料が表面張力と重力によって複数の方向で谷間に均等に分散されるように制御されます。溶融材料が谷底に分散されると、レーザー研磨中に材料の無駄が発生しません。レーザー出力、スポットサイズ、スキャン速度は、滑らかな表面を得るための主な制御パラメータです。レーザー表面研磨の概略図を図1に示します。

▲図1. レーザー表面研磨の模式図。再溶融層の深さに応じて、レーザー研磨には表面浅溶融（SSM）と表面過溶融（SOM）の2つの領域があります。 SSM 領域では、上図に示すように、山が溶けて谷が埋まり、表面粗さが減少します。レーザービームの強度をさらに増加させると、溶融層の深さはさらに増加し続けます。この層の深さが谷底の深さを超えると、SOM が作成されます。 SOM では、溶融プールのダイナミクスが非常に大きく、その結果 SSM に比べて表面粗さが高くなるため、表面波の周波数が低く振幅が大きくなります。レーザーエネルギー値がわずかに増加すると、SOM などの不利な領域の形成につながる最適な値があります。研究によると、レーザー研磨では通常、SSM と SOM の組み合わせが生成されますが、最終的な表面粗さは各領域でどのメカニズムが優勢であるかによって異なります。レーザー研磨プロセスは、微細層の溶融とそれに続く溶融材料の急速な凝固に基づいています。影響を受ける層の深さは、溶けた山の粗さによって異なりますが、谷よりも深くなければなりません。したがって、レーザー研磨プロセスの概略図である下の図 2 に示すように、この微細層を溶かすにはレーザービームのエネルギーを慎重に制御する必要があります。

▲図2.レーザー研磨工程の概略図
レーザー研磨研究の現状<br /> 金属部品の3Dプリントのためのレーザー研磨技術に関する研究と応用が数多く登場し始めており、材料の種類に応じて分類することができます。研究者らは、LaserFormTM ST-100 を使用して、鋼、アルミニウム、Co-Cr 合金、ニッケルベース合金、チタン合金の研磨を研究しました。各材料の表面の完全性、機械的特性、および最適化された処理パラメータについては、次のセクションで説明します。

2.1 レーザー研磨LaserForm TM ST-100

図 3。上の写真は、SLS 技術を使用して準備され、レーザー研磨テストを受けた LaserForm ST-100© パーツを示しています。下の写真は、レーザー研磨テストの結果を示しています。SLS (選択的レーザー焼結) プロセスを使用して製造された 3D プリントサンプルは、レーザー研磨されました。 SLS 技術の欠点の 1 つは、形成された部品の表面粗さが悪く、アプリケーションの要件を満たす前に部品を研磨する必要があることです。研磨工程では、従来は手作業による研磨が一般的でした。ここで研究者らはレーザー照射ベースの方法を使用して SLS 製品の表面を研磨しました。レーザービームは微細な表面層を溶かし、保護ガスの条件下で溶融層が固化して滑らかな表面を形成します。

図 4. LaserForm ST-100© によるレーザー研磨の結果: 左: SLS 焼結部品の元の表面形態、右: レーザー研磨後。レーザー研磨実験は、ラインスキャン、平面スキャン処理、傾斜面を使用して実行されました。すべてのケースで満足のいく結果が得られました。実験は、表面粗さが 7.5～7.8 μm Ra の SLS 製造部品に対して実施されました。テストされた材料は、焼結ステンレス鋼と濾過された Cu で構成された、商業的に主流の LaserForm ST-100© です。この合金は主に金型などの用途に使用されます。実験結果によると、レーザー研磨後の表面粗さは 1.49 μm Ra 未満であり、元の粗い表面よりも 80.1% 低いことがわかりました。最後に、テストされたサンプルとその冶金組成の完全な分析も実行されました。材料が不均一な構造であることを考慮すると、研磨された材料表面は元の表面よりも高く均一な硬度を示します。その結果、研磨された表面には熱影響部や亀裂がなくなり、使用中に最終部品が故障する原因となることがなくなります。

▲図 5。左の写真は元の表面形態を示し、右の写真はレーザー表面研磨後の結果を示しています。▲図 6。直線領域をレーザー研磨したときの SLS 成形 LaserForm ST-100© の断面の 2 つの結果▲図 7。LaserForm ST-100© で SLS によって構築された 3D テスト部品。3 つの異なる方向のレーザー研磨テストに使用されたレーザー。製造プロセスは SLS で、成形材料は LaserForm ST-100© です。
引き続き、江蘇レーザー連盟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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