乾物：レーザー選択溶融（SLM）装置のコア構造の解析

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出典：広州雷佳添加剤
1. レーザー選択溶融装置の紹介
選択的レーザー溶融法 (SLM) は、現代の金属積層造形技術の代表的なものであり、将来の積層造形開発の主な方向性の 1 つです。レーザー選択溶融技術は、優れた成形精度、成形部品の高密度、複雑な形状の直接成形、幅広い成形可能材料などの特徴により、航空宇宙、科学研究・教育、医療、工業用金型、自動車などの分野で広く使用されています。この技術は、主にレーザービームを成形面上に集束させ、走査ガルバノメータによって一定の速度と経路で移動を制御することで、走査領域内の金属粉末を急速に溶融して凝固させ、最終的に層ごとに蓄積することで複雑な3次元構造の加工を実現します。
一般的に、レーザー選択溶融成形装置は、主に光学系、粉末成形システム、ガス循環浄化システム、コンピュータ制御システム、その他の補助装置などのいくつかのコア部分で構成されています。成形設備の各部品の信頼性と性能、および部品間の協調作業は、成形部品の成形品質（形状精度、表面精度、内部欠陥などを含む）と成形性能（機械的特性、耐食性などを含む）に直接影響し、製品の用途に影響を及ぼします。同時に、成形設備の安定性と運転の継続性は、企業の大規模生産にとって重要な保証となります。企業応用の過程では、設備の問題によって生じた成形部品の故障を補うことが困難な場合が多く、材料、労働力、その他の資源の直接的な浪費を引き起こすだけでなく、加工効率の低下、顧客損失などにもつながり、技術の推進、応用、産業化を深刻に妨げることになります。したがって、技術と製品の応用を促進するためには、レーザー選択溶融成形装置の成形能力を確保することが特に重要です。

△広州雷佳添加剤ダイメタル-100レーザー選択溶融成形装置の構成
2. 機器の主要部品の役割と要件
1. 光学系
レーザー選択溶融装置の中核部品である光学系は、主にレーザー、ビームエキスパンダー、走査ガルバノメータ、f-θミラーなどで構成されています。レーザー選択溶融のプロセスでは、光学系がレーザーを通してレーザービームを放射し、それを柔軟な光ファイバーを通して伝送します。次に、ビームエキスパンダーを使用してレーザービームの直径を拡大し、走査ガルバノメーターに作用するレーザーエネルギー密度を低減します。最後に、f-θレンズを使用してピンクッション歪みを排除し、高品質のビームと正確な焦点スポットを備えたレーザービームを取得します。レーザービームは成形面上に集束され、ガルバノメータモーションコントロールカードとコンピュータ制御システムの協調制御により、設定された速度と所定の経路で金属粉末を加熱・溶融し、急速に凝固させて固体を形成します。
レーザー選択溶融装置では、光学系に以下の要件があります。
（１）レーザー焦点：レーザービームはエネルギー密度が高く、成形面に集中して金属粉末を溶かします。成形装置の焦点が成形面から大きく外れると、レーザービームのエネルギー密度が不足して金属粉末を溶かすことができないだけでなく、焦点がずれたスポットが大きくなり、成形品の表面の細かさが低下しやすく、限界成形サイズが大きくなりやすくなります。したがって、成形装置の焦点を成形面に正確に合わせることが、装置の成形性能を確保するための条件の一つとなります。

（２）ガルバノメータの校正：走査型ガルバノメータは、レーザー選択溶融における高精度を保証する中核部品である。ガルバノメータモーションコントロールカードとコンピュータシステムは、ガルバノメータを制御してコマンド角度を偏向させ、レーザービームが成形面上の指定された位置を正確にスキャンできるようにします。ガルバノメータシステムでは、偏向角と平面座標の間に固有の非線形マッピング関係があります。また、光学部品の製造誤差や光路システムの設置誤差により、システムに「糸巻き歪み」、「樽型歪み」、「糸巻き樽型複合歪み」などの静的誤差が発生します。電子伝送ラインの残留ノイズやアナログ電圧ドリフトも、系統的およびランダムな動的誤差を引き起こします。長期連続動作条件下では、温度ドリフトにより、システムに累積的なクリープ誤差が発生することがよくあります。したがって、ガルバノメータの校正を通じて成形精度を確保することは複雑になり、特に重要になります。ガルバノメータシステムは、実際の平面座標データに基づいて、ターゲット位置とガルバノメータ偏向コマンド角度とのマッピング関係を計算します。したがって、ガルバノメータのキャリブレーションには、実際に処理された平面座標データの収集が必要です。収集されたデータは、ガルバノメータ制御ユニットのさらなるキャリブレーション計算に使用されます。これを繰り返すことで、ガルバノメータのスキャン精度が要件を満たしていることを確認できます。従来のデータ収集方法は、手動アライメント測定または 3D 画像測定器を使用したオフライン自動測定です。この手動またはオフラインの測定方法では、一方では主観的な測定誤差が生じやすくなり、他方では効率が低下します。そのため、ガルバノメータの校正技術を向上させることで、レーザー選択溶融装置の成形精度が向上することが期待されます。

△ガルバノメータの校正プロセス
（3）レーザー遅延パラメータ：実際のSLM加工工程では、ガルバノメータモータの回転とレーザーの発光と閉鎖には一定の応答時間が必要であり、システム制御信号より遅れます。そのため、一定の遅延誤差が発生し、SLM部品の成形品質に一定の影響を与えます。成形装置は、制御システムでレーザー遅延パラメータを設定することにより、通信遅延の悪影響を効果的に補正できます。レーザー遅延パラメータには、主にレーザーオン遅延 (Laser On Delay) とレーザーオフ遅延 (Laser Off Delay) が含まれます。微細構造の場合、レーザー遅延の影響は無視できません。レーザー遅延パラメータは、微細構造の密度、硬度、機械的特性に大きな影響を与え、その影響は小型部品ではより顕著になります。
△レーザー遅延パラメータの役割
（4）実際のレーザー出力の保証：レーザー選択溶融成形装置の最大作業出力は、装置の成形能力に直接影響します。高融点の金属粉末を加工する場合、金属粉末の完全な溶融を確保し、それによって成形体の密度と機械的特性を確保するために、出力を高くする必要があることがよくあります。レーザーから一定出力のレーザービームが放射され、複数の光学部品によって吸収または弱められ、最終的に成形面に到達する実際のレーザー出力はある程度減衰します。レーザー出力損失の一般的な原因は、コンポーネントの相対的な位置が正しくないこと、または光路にほこりが入り込む原因となるシーリングの問題です。パワー損失が一定値を超える場合は、光路ユニットの密閉状態を確認し、補正後のレーザーパワーの実測値が理論値の約 90% に達するまで光路ユニット上の部品の位置を補正する必要があります。

2. 粉末成形システム
レーザー選択溶融成形装置の粉末散布および成形システムは、主に、粉末散布車両移動機構、粉末シリンダ、成形シリンダ、サーボスクリュー駆動機構などの機能ユニットで構成されています。処理中、成形シリンダーは指定された層の厚さまで下降し、粉末シリンダーは一定の高さまで上昇し（粉末シリンダー供給方式）、または粉末落下モーターが一定の角度回転して粉末を粉末散布車の前に落下させ（粉末落下供給方式）、粉末散布車が移動し、粉末散布車上の柔軟な粉末散布ブラシが成形シリンダーの表面に粉末の層を散布し、光学系が処理するのを待ちます。
レーザー選択溶融成形装置において、粉末積層成形システムには以下の要件があります。
（１）粉末拡散車動作機構：SLM成形プロセス中、粉末拡散効果は平坦で均一かつコンパクトであることが求められ、高い表面精度を備えた高密度部品の成形に役立ちます。 SLM 成形プロセス中の粉末敷設面が不均一であると、粉末のレーザー吸収が不安定になり、粉末床面の異なる位置に照射されるレーザーのパワー密度が異なり、成形面も不均一になり、最終的には成形部品の密度と表面精度が著しく低下します。粉体散布移動機構の一般的な問題点としては、①動作が不安定で、移動中に粉体散布車両が振動し、粉体散布面に縞模様が形成される、②一方向駆動の粉体散布車両は長期運転条件下では故障しやすい、などが挙げられます。そのため、成形装置の粉末散布車の動作機構は調整が容易であること、またSLM成形プロセス中の動作が安定していること、長期にわたる動作信頼性が確保されていることが求められます。
（２）粉末散布車の移動速度：SLM成形工程において、粉末散布車の走行速度を適切に上げることで、部品成形時間を短縮し、加工効率を向上させることができる。しかし、粉体散布構造は主に物理的なリミッターを使用して動作範囲を制御するため、粉体散布車両が不適切な速度で移動すると、加速または減速によって生じる位置誤差が蓄積され、シャットダウンや部品処理の失敗につながる可能性があります。したがって、レーザー選択溶融成形装置の粉末散布車の移動速度は、長期にわたる正常な動作を確保するために校正および調整する必要があります。
（３）成形シリンダーと粉末シリンダーの移動精度：レーザー選択溶融成形技術は層ごとの堆積に基づく技術であるため、成形シリンダーと粉末シリンダーの移動精度に対する要求が高く、最小層厚は20μmに達することもあります。したがって、レーザー選択溶融成形装置の成形能力を確保するには、成形シリンダーと粉末シリンダーの動作精度要件をシステムキャリブレーションによって満たす必要があります。
（4）正確な粉末供給：粉末供給を使用する成形装置の場合、粉末が粉末落下モーターから粉末散布車の粉末トラフに流れるまでに一定の時間がかかります。そのため、粉末落下モーターと粉末散布車の動作時間を制御して、粉末落下モーターから落下した粉末が粉末トラフに完全に受け入れられるようにする必要があります。また、落下する粉末が成形面全体を完全に覆うように、粉末落下モーターの回転量をテストと修正によって制御する必要があります。粉末が少なすぎると、成形面の一部が粉末で覆われない状態になりやすく、粉末が多すぎると、粉末が早く消費されてしまいます。 △雷佳加成Dimetal-300多材料レーザー選択溶融装置（粉末落下供給方式）
3. ガス循環浄化システム
レーザー選択溶融のプロセスでは、レーザー熱の作用により、溶融プロセス中に金属粉末が空気中の酸素やその他の元素と容易に反応し、黒煙や高融点のスパッタが形成されます。一方、黒煙は光透過レンズに黒煙粉末の層を付着させやすく、レーザーがレンズを通過するときに深刻な出力減衰を引き起こし、成形面の粉末が完全に溶融できず、成形品質に影響を与えます。同時に、黒煙粉末が付着したレンズはレーザーエネルギーを吸収して加熱され、高温で爆発することさえあります。一方、形成された高融点のスパッタは、近くの成形領域に簡単に落下する可能性があります。その後、この領域がレーザーで溶融すると、介在物などの欠陥につながります。非成形領域に落ちると、粉末汚染の程度も悪化します。同時に、気流、レーザー衝撃、粉末拡散装置の乱れにより、密閉された成形室内に大量の煙と粉塵が発生します。
そのため、実際の加工工程における成形品質管理には、ガス循環浄化システムの性能が特に重要となります。ガス循環浄化システムには主に以下の要件が含まれます。
（１）成形室内のガス環境の循環・濾過・浄化：成形面から吸引された黒煙や飛沫等に混入した保護ガスは、ガス循環浄化システム内のフィルターエレメントで濾過され、清浄な保護ガスとして成形室内に再循環される。
（２）空気入口設計：成形室内では、循環保護ガスは主に吹き出し口と吸引口を通過し、黒煙や飛散物などが循環浄化システムに入り、濾過される。実際の加工工程では、吹き出し口と吸引口の間の成形面上に形成される循環風場が部品の成形品質に大きな影響を与えます。羽口の設計が不適切だと、成形室内の黒煙や飛沫が循環浄化システムに入りにくくなり、ろ過が困難になり、成形品質の低下や粉末汚染の増加につながります。そのため、実際の成形環境に応じて吹き出し口と吸引口の設計を最適化し、成形面への循環風場効果を高めて成形品質を向上させる必要があります。
（３）光学レンズ保護装置：レーザー選択溶融装置に１つ以上のガス循環導入路を追加し、環状に分布した新鮮なアルゴンガスを光学レンズの下に導入して保護ガス層を形成する必要がある。粉末溶融プロセスからのすべての燃焼生成物がレンズに付着するのを完全に遮断し、絶対的なレーザー出力精度を確保し、光学部品の寿命を大幅に延ばします。
△光学レンズ保護装置
4. 成形室を密閉する
SLM 成形の前に、通常、成形チャンバー内に不活性保護ガスを導入して空気を排除し、成形チャンバー内に粉末のレーザー選択溶融に適した無酸素環境を形成する必要があります。成形室の密閉性が不十分だと、成形室内の空気を抜く時間が長くなるだけでなく、保護ガスの消費量も増えます。同時に、成形工程中に酸素が成形室に入り込み、金属粉末と反応して酸化物などの不純物が発生し、部品の成形品質が低下する可能性があります。したがって、成形室の密閉は、生産効率の向上、生産コストの削減、部品の成形品質の確保にとって重要な条件です。さらに、成形室の密閉性能を確保するために、装置の密閉性能を定期的に点検し、密閉要素を交換する必要があります。
5. その他
レーザー選択溶融技術は、成形面に基づいて層ごとに溶融と積層を行う積層製造技術であるため、機械設置プロセス中に成形面とガルバノメータレンズの水平性を保証する必要があります。そうしないと、成形面とガルバノメータレンズ面の平行度があまりにも異なると、ガルバノメータの校正が非常に困難になり、装置のX / Y方向の成形精度が低下します。
また、レーザー選択溶融成形装置は金属粉末加工を伴うため、装置システムの各部の正常な動作を確保し、装置の安定性と成形能力を確保するために、定期的なメンテナンスと清掃が必要です。

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