マルチレーザー金属積層造形におけるファルスーン社の成功の秘密を深く明らかにする

この投稿はLittle Soft Bearによって2021-4-12 18:24に最後に編集されました。

出典: ファースーンハイテック

数十年にわたる活発な開発を経て、金属 3D プリント技術はますます成熟し、歯科、航空宇宙、医療、金型などの業界で産業規模を形成しました。この技術の産業化の過程で、「コストと効率」の問題が徐々に顕著になってきており、特に印刷する部品がますます大きくなり、設備の印刷形式も拡大し、単一のレーザー印刷時間もますます長くなっています。そのため、生産コストを削減し、単位時間あたりの生産効率を向上させるための解決策を見つけることが急務となっています。

金属 3D プリントの主なコスト要素には、設備の減価償却、粉末コスト、消耗品、人件費、後処理コスト、水道、電気、ガス、現場費用などが含まれます。印刷効率を向上させる主な方法としては、複数のレーザーを使用してスキャン効率を向上させること、単層粉末の敷設時間を短縮すること、大きな層厚のプロセスパラメータを使用すること、およびスキャン戦略を最適化することなどが挙げられます。

「コストと効率」の問題に対して、大手産業用3Dプリント企業であるFarsoon High-Techは独自のソリューションを提供し、コスト効率の高い設備を顧客に提供すると同時に、設備の生産効率を向上させ、顧客にさらなる価値を生み出すために技術革新を続けています。 2019年以降、Farsoonの中型・大型マルチレーザー金属設備の受注と設置容量は大幅に増加し、産業顧客によって検証されています。今号では、効率向上とコスト削減を実現する Farsoon 社の技術の 1 つであるマルチレーザー技術の紹介に焦点を当てます。

マルチレーザー印刷の使用は、レーザーの数と走査ガルバノメータの単純な重ね合わせではありません。複数のレーザー間のレーザー一貫性の問題、走査ガルバノメータのオーバーラップキャリブレーションの問題、オーバーラップ安定性の問題、およびマルチレーザー走査タスク割り当ての問題が徹底的に解決された場合にのみ、安定した高品質で効率的なマルチレーザー積層製造システムを形成できます。

高品質、高効率のマルチレーザー積層造形システム

レーザーの一貫性の問題 レーザーの一貫性には主に 2 つの側面があります。1 つはスポットの形状とサイズ、もう 1 つはレーザー出力です。

Farsoon 機器の光学パスシステムは、光学システムの全体設計、光学コンポーネントの選択 (高級有名ブランド)、インストール、デバッグなど、完全に独自に開発されています。

強力な研究開発能力と10年以上のエンジニアリング応用経験を備えたFarsoonは、基本的にマルチレーザー機器内の異なるレーザーのスポット形状を一貫して調整することができ、スポットサイズの偏差は±3μm以内に制御されます。

下の図は、ビーム品質アナライザーを使用して Farsoon FS421 デュアルレーザーデバイスで測定された前面および背面のレーザースポットの形態を示しています。

△前方レーザースポット形状 △後方レーザースポット形状 Huashuが独自に開発したレーザー出力校正ソフトウェアとテストフィクスチャを利用することで、校正を便利かつ迅速に実行できます。校正後、異なるレーザー間の出力偏差は3W以内に制御できます。FS421Mデュアルレーザーの出力校正結果を下の図に示します。

△フロントレーザーパワー調整 △リアレーザーパワー調整
走査ガルバノメータのオーバーラップ校正の問題 走査型ガルバノメータはレーザー選択溶融成形装置の主要なコアコンポーネントであり、成形精度は主にこれによって保証されます。コンピュータシステムとガルバノメータモーションコントロールカードを使用して、ガルバノメータをコマンド角度に偏向するように制御し、指定された位置でレーザービームの正確なスキャンを実現します。

ガルバノメータシステムでは、理論的には、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、光学部品自体の製造誤差や組み立て工程の誤差があり、システムに「糸巻き歪み」、「樽型歪み」、「糸巻き樽型複合歪み」などの静的誤差を引き起こします。同時に、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、いくつかの系統的およびランダムな動的誤差をもたらします。そのため、成形精度を確保するために、ガルバノメータの校正が必要です。 Farsoon High-Tech は、ガルバノメータのスキャン位置精度の正確な校正を迅速かつ簡単に実現できる完全なガルバノメータ校正システムを独自に開発しました。

単一のガルバノメータシステムのキャリブレーション後、マルチレーザースキャンの重複領域でオーバーラップキャリブレーションが必要です。その目的は、重複領域で同じ位置をスキャンするときに、複数のレーザーが可能な限り重なるようにすることです。実際のスキャン処理中に偏差が発生した場合、平行移動および回転操作によって 2 つのレーザーのスキャンラインが重なる可能性があります。

△オーバーラップ校正原理の概略図。オーバーラップ校正の問題に対処するために、Farsoon は、センサーなどのハードウェアツールと対応するオーバーラップ補正ソフトウェアを含むマルチレーザー自動校正システムを独自に開発しました。ソフトウェアはテストデータを自動的に読み取り、偏差を計算して補正を行います。

このシステムの登場により、デバッグ手順が大幅に削減され、デバッガーの作業負荷が軽減され、精度が向上し、キャリブレーションの効率が大幅に向上します。複数のデバイスで長期にわたる包括的な検証とテストを行った結果、このシステムのオーバーラップ校正精度は 0.05mm 以内に安定して制御され、航空宇宙業界の顧客の品質要件を満たすようになりました。

△マルチレーザー自動オーバーラップ校正システムの原理図
オーバーラップの安定性の問題 複数のレーザー領域のオーバーラップキャリブレーションを完了した後、ユーザーは通常、オーバーラップ効果がどれくらいの間変化しないままでいられるかという 1 つの疑問について懸念します。

優れた光学システム設計と使用中の通常のメンテナンスを組み合わせると、レンズを長期間再調整する必要がなくなります。ただし、一般的には、機器の重なり状態をより適切に監視するために、6 か月ごとに重なり効果を確認することをお勧めします。重なり効果が許容範囲外の場合は、適宜調整する必要があります。重なり効果が標準要件内であれば、調整は必要ありません。

同時に、マルチレーザー印刷製品の品質をより適切に追跡するために、実際の印刷プロセス中に金属組織ブロックとストレッチスプラインをマルチレーザーオーバーラップ領域に配置して、オーバーラップ効果を検証し、品質を追跡することも推奨されます。

マルチレーザースキャンタスク割り当て問題 レーザーの数が増えると、スキャンタスクの割り当てが複雑になり、成形効率を考慮するだけでなく、複数のレーザー間の相互影響、特に上下の風向や2つのレーザーが近接している場合の影響も考慮する必要があります。優れた風力発電所の設計により、この影響をある程度緩和することはできますが、完全に回避することはできません。長期にわたる焼結検証テストを経て、Farsoon High-Tech は自社開発のデータ処理ソフトウェア BuildStar プラットフォーム上でマルチレーザー装置に基づくインテリジェントなスライスアルゴリズムを特別に開発しました。これにより、スキャンタスク割り当てレベルから上記の問題を効果的に回避し、焼結品質を確保しながら効率を最大化できます。ユーザー定義モードも用意されており、ユーザーが指定したレーザーIDに応じて部品を焼結することができます。

△FS421M-デュアルレーザーデータ処理ソフトウェアBuildStarスライススキャンタスク割り当て△FS621M-4レーザーデータ処理ソフトウェアBuildStarスライススキャンタスク割り当て△FS621M-4レーザー大型フォーマットの実際のスキャン効果（上記画像のBuildStarスライスに対応）材料はIN718です
マルチレーザープリントされたワークピースの品質を判断する方法 上記の問題を完全に解決すると、マルチレーザー積層造形システムで高品質の部品を印刷できるようになります。マルチレーザーで印刷された部品の品質は、通常、表面の重なりマーク検査、金属組織観察、機械的特性試験の 3 つの側面から判断する必要があります。

重複トレース 部品の表面の重なり跡は重なりの品質を直感的に反映し、重なり領域の品質は一般的に触覚や拡大鏡でさらに判断できます。重なり効果が悪いと、重なり跡が目立ち、異なるレーザー間のずれが大きく、手で触ったときに凹凸感が強くなります。

△重ね合わせ効果が悪い場合の垂直重ね合わせ痕。△写真は重ね合わせ効果が悪い場合の水平重ね合わせ痕の拡大写真です。上の写真から、サンプル表面の溶融池線の組織が明瞭で規則的に並んでおり、表面に明らかな粒子付着がなく、そのパラメータの適用性を反映していることがわかります。しかし、オーバーラップ効果が悪いため、オーバーラップ融合ラインの膨らみと、上部および下部のレーザースキャン時の横ずれがはっきりと見られ、ずれは約0.1 mmです。

重なり効果がより良くなった状況は下図の通りです。図から重なり跡が目立たず、手で触っても凹凸が感じられないことがわかります。

△FS421M-デュアルレーザーオーバーラップ効果。材料はIN718、層厚は0.04mm、ワークピースの印刷時間は206時間です。
△重なり合った部分の拡大図

金属組織観察 重ね合わせマークは、見た目から重ね合わせの品質を予備的に判断することしかできません。一定の参考値がありますが、「心」から判断することがより重要です。通常、重なりの品質は、重なり領域にある金属組織ブロックの水平面と垂直面の金属組織観察と比較によって決定されます。

△オーバーラップをその場でデバッグしない場合、オーバーラップライン付近に穴欠陥が分布します。材質はAlSi10Mg、層厚は0.04mmです。
重なりをデバッグした後の金属組織学的試験結果を下の図に示します。図から、中央の重なり領域と重なりのない領域の間に金属組織学的差異がないことがわかります。

△材質はAlSi10Mg、層厚は0.04mm
機械的性質試験 オーバーラップ領域の金属組織学的観察に加えて、オーバーラップ領域の品質をさらに確認するために、オーバーラップ領域の機械的特性もテストする必要があります。下の写真は、FS621M-quad レーザーデバイスのラップテストパッケージを示しています。

△FS621M-4レーザーラップ性能試験パッケージ材質GH3536層厚0.06mm印刷時間25時間32分
印刷性能テスト結果（平均値）は以下のとおりです。

テスト結果から、重複領域でのスプラインのパフォーマンスは、重複していない領域でのスプラインのパフォーマンスと基本的に同じであることがわかりました。

マルチレーザー3Dプリントシステムは、高効率、大規模、バッチ製造のソリューションの1つであり、粉末床レーザー成形技術の開発における新しいトレンドでもあります。これは、顧客に高効率で低コストのソリューションを提供できることを意味し、より多くの業界で3Dプリント技術を応用するための強固な基盤を築くこともできます。

Farsoonは自主的な研究開発と革新を堅持し、複数のレーザー間のレーザー一貫性問題、走査ガルバノメーターのオーバーラップ校正問題、オーバーラップ安定性問題、マルチレーザー走査タスク割り当て問題など、マルチレーザー積層造形システムに存在する多くの困難な問題を全面的に克服しました。また、産業顧客における複数のマルチレーザー装置の設置検証も達成しました。この装置で印刷された部品は、航空宇宙分野の関連する厳格なテスト基準に合格し、最終検収を通過しました。これは、Farsoonのマルチレーザー積層造形技術が産業化に向けて順調に前進したことを示しています。

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