特集: 最適なレーザー加工プロセス(パート1)

出典: レニショー

最適なレーザープロセス (パート 1) プロセスパラメータの選択は、材料がどのように溶けて固まり、必要な部品が形成されるかを決定するため、積層造形処理の成功にとって非常に重要です。各合金粉末はレーザーエネルギーを吸収し、熱を伝達し、流動し、凝固する方法が異なるため、溶解される合金の特定の特性に合わせてプロセスパラメータを選択する必要があります。

「動作ウィンドウ」を決定する
パラメータを選択する際の主な考慮事項は、均一な品質の完全に密度の高い部品を製造することです。部品の密度は溶融品質の重要な指標です。多孔性が存在すると、必要な強度、延性、疲労/クリープ特性を達成できません。しかし、無数のパラメータの中から適切な組み合わせをどのように選択すればよいのでしょうか?

複雑なものをシンプルにし、半分の労力で 2 倍の結果を達成します<br /> それぞれのワークピースについて、粉末の化学組成と粒度分布が決定されます。層の厚さは、部品の詳細度と表面仕上げの要件に応じて決定することもできます。レーザースポットサイズが決定したら（多くのマシンでは処理中にスポットサイズを変更できません）、レーザー出力、スキャン速度、スキャンライン距離のみを選択する必要があります。
図 1: レーザー出力とスキャン速度の図 - パラメータの選択によってプロセス結果がどのように変化するかスキャン速度が速すぎてレーザー出力が低すぎると、部品の一部が完全に溶融されず、「溶融不足」による多孔性が生じる可能性があります。逆に、選択した速度で過剰な電力が加えられると、溶接プールが過熱し、エネルギーが深く浸透しすぎて「深い穴」効果が生じる可能性があります。

これら 2 つの極端な状態の間には、良好な部品密度を達成できる「動作ウィンドウ」があります。このウィンドウ内では、レーザーエネルギーは、あまり深く浸透することなく、粉末とその下の金属層を完全に溶かすのに十分です。

図 1 からわかるように、レーザー出力とスキャン速度の両方を上げると、処理効率が向上し、ある程度実現可能です。ただし、パワーとスピードには限界があります。この限界を超えると、溶融プールが不安定になり、「球状化」効果が発生します。レーザー出力が増加すると、スパッタも増加する可能性があります。
図2：最適な速度と電力の組み合わせ条件下では、安定した溶融池が形成され、正しい深さまで浸透し、効率的な処理が実現します。
「動作ウィンドウ」内での処理
PV グラフの中央の「動作ウィンドウ」は、最適なサイズの安定した溶接プールを生成する速度と電力の正しい組み合わせです。
図2に示すように。この条件の組み合わせにより、レーザーエネルギーは粉末によって効果的に吸収され、過度の再溶融を回避しながら下の金属層としっかりと融合するのに十分な深さの溶融プールが形成されます。

図 3: レーザーエネルギーの浸透が不十分な場合、材料が溶融されずに残り、部品の欠陥が発生します。図 4: 中程度の深穴効果 - 高エネルギーのレーザースポットにより深い空洞が形成されます。図 5: 過度の深穴効果 - 空洞が深すぎると、部品の表面の下に小さな穴が形成されます。図 6: スキャン速度が速すぎるため、溶融プールが不安定になります。上記は、レーザーパウダーベッドフュージョン (LPBF) プロセスパラメータを選択する際の考慮事項と、これらの要因によって「動作ウィンドウ」がどのように定義されるかを示しています。次の記事では、部品の形状の変化に対する加工プロセスの感度を引き続き分析し、特定のアプリケーションに特定のパラメータを選択する理由について説明します。

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