フラウンホーファーILTは、プロセスの安定性と生産効率を大幅に向上させる新しいLPBFレーザービーム成形プラットフォームを開発しました。

2024年11月8日、Antarctic Bearは、ドイツの研究機関であるフラウンホーファーレーザー技術研究所（ILT）がFormnext 2024で新しい3Dプリントビーム成形技術を展示することを知りました。この技術は、複雑なレーザービームプロファイルを研究するためのテストシステムを開発するための新しいプラットフォームを使用して、アーヘン工科大学の光学システム技術部門（TOS）と共同でフラウンホーファーチームによって開発されました。
レーザービーム成形プラットフォームは、レーザーパウダーベッドフュージョン (LPBF) 3D 印刷用のカスタマイズされたビームプロファイルを作成し、材料の無駄を最小限に抑えながら部品の品質、プロセスの安定性、生産性を向上させることができます。
Fraunhofer ILT の新しいシステムは、シリコン上の液晶 - 空間光変調器 (LCoS-SLM) を使用して、3D 印刷プロセス中にレーザービームの位相面を選択的に曲げます。これまでの研究で達成された基本的なリングや長方形の形状よりも複雑な輪郭を実現できると報告されています。これにより、研究者は LPBF で使用されるほぼすべてのビームプロファイルを研究できるようになります。複雑な輪郭を特定の産業用 3D 印刷アプリケーションに合わせて調整することで、最適な結果を実現し、生産ニーズを満たすことができます。
「LPBF プロセスをターゲットに合わせて最適化できます」と、フラウンホーファー ILT のレーザー粉末床融合部門の博士課程学生、マーヴィン・キッペルズ氏は説明します。同氏は、新しいプラットフォームにより、材料の蒸発が減り、スパッタの形成が減り、溶融池のダイナミクスが改善され、溶融経路の表面が滑らかになり、プロセス効率が向上すると指摘しています。
現在構築中の新しい LPBF ビーム成形システムは、今月下旬に開催される Formnext 2024 のホール 11.0、スタンド D31 で初めて実演される予定です。
△フラウンホーファーILTレーザー粉末床融合研究所の博士課程学生、マーヴィン・キッペルス氏。写真提供：Fraunhofer ILT。
レーザービーム成形とは何ですか?
多くの LPBF 3D 印刷プロセスでは、 300 ～ 400 ワットのレーザー出力が使用されます。これらのレーザーの標準的なガウス分布は、品質、効率、信頼性が重要となる産業用アプリケーションにとって課題となります。
フラウンホーファーIAPT L-PBFの責任者であるフィリップ・コールウェス氏は以前、ガウスレーザーの高出力集中によりエネルギー分布が不均一になり、中央部に過剰なエネルギーが生じる可能性があると述べています。これにより、局所的な過熱、望ましくない材料の蒸発、プロセスの不安定化が発生し、飛散や多孔性が生じて部品の品質が損なわれる可能性があります。これらの問題により、LPBF 3D プリントのスケーラビリティが制限され、ほとんどの材料に使用できる最大レーザー出力が制限されます。
キッペルス氏によると、この問題に対処する一つの方法は、複数のレーザーと光学系を並行して使用することだ。ただし、コストは少なくとも設置されるシステムの数に比例します。さらに、これらのシステムは必ずしも均等に利用されるわけではないため、産業用アプリケーションでの拡張性が制限されます。
これらの課題を克服するために、フラウンホーファー IAPT は、マルチビーム 3D プリンターでも使用できる個々のレーザーの生産性を向上させるレーザービーム成形を研究しています。このプロセスでは、金属粉末を焼結する前に、レーザーのガウスプロファイルをさまざまな形状に操作します。これらの形状により、エネルギーの均一な分散が促進され、溶接プール内のエネルギーが増加します。 Kohlwes は、この均一性により金属 3D プリントの生産性が 2.5 倍になり、プロセスの安定性が 40% 向上すると主張しています。
これまでの研究では、円形、長方形、またはその両方の組み合わせなどの単純なビーム形状により、部品の品質と処理速度を向上できることが示されています。しかし、既存の技術の限界により、より複雑なビーム形状の作成は、ほとんど未開拓のままです。フラウンホーファーIAPTの新しいプラットフォームは、これらの制限を克服し、生産ニーズに合わせて調整できるより複雑な形状への新たな一歩を踏み出すと伝えられています。
コールウェス氏は昨年のインタビューでこの機能の潜在的な価値について示唆した。「レーザービームプロファイルがそれぞれのアプリケーションに適合すればするほど、エネルギー入力とそれに伴うプロセスの安定性が向上します」と彼は強調します。「同様に、すべてのニーズに完璧に適合するビーム形状は存在しません。アプリケーションごとに独自の要件があります。」
△ LCoS-SLMの位相マスクで反射した後、レーザービームの強度は伝播過程で再分配されます。左側が初期分布、右側が目標分布です。画像はFraunhofer ILTより。
フラウンホーファーの新しいLPBFビーム成形プラットフォーム
ILT チームの新しいプラットフォームは、LCoS-SLM を活用して、LPBF 3D 印刷用のほぼすべてのレーザービームプロファイルを実現します。最大レーザー出力が 2 kW のテストシステムは、特定のアプリケーションに最適なプロファイルに合わせて高出力レベルでビーム形状を評価することもできます。
△フラウンホーファーILTの新しいレーザービーム成形プラットフォーム。写真提供：Fraunhofer ILT。
フラウンホーファーの研究者らは、ビーム成形に関するこれまでの研究では成形の基本的なメカニズムが深く理解されておらず、関連文献には矛盾する結論さえ出ていると述べた。したがって、研究者は、溶融トラックの形状などのレーザー特性を効果的に決定する前に、プロセスについてより基本的な理解を深める必要があります。これを実現するには、メーカーが採用する前に、ビームの形状を特定のアプリケーションに合わせて最適化する必要があります。フラウンホーファー IAPT の新しいプラットフォームにより、顧客やプロジェクトパートナーは柔軟性を利用してレーザービーム成形を調査し、LPBF 3D プリントを最適化できるようになると伝えられています。
Kippels 氏は次のように付け加えています。「まだ初期段階ですが、ビームシェーピングが LPBF プロセスにもたらす大きな可能性はすでに認識しています。当社の柔軟なビームシェーピングにより、各プロセスに最適なプロファイルと、関連するタスクに最適なプロセスパラメータを見つけることができます。」
△ フラウンホーファーILTのビーム成形プラットフォームを使用して作成された新しいレーザービームプロファイル。画像はFraunhofer ILTより。
3D プリント用レーザービーム成形の進歩<br /> 産業用金属 3D 印刷におけるビーム成形技術の大きな利点を考慮して、LPBF 3D 印刷分野の複数の企業がこの技術の開発と商品化に取り組んでいます。半導体およびファイバーレーザーの専門企業である nLight もそのような企業の 1 つです。今年初め、nLight はミュンヘンに拠点を置く 3D プリンター製造会社 EOS に AFX プログラム可能なビーム成形レーザーを供給することに合意しました。
この共同の戦略的コラボレーションにより、EOS の金属 3D プリンターでレーザーを使用できるようになり、同時に他の補完的なレーザーベースのテクノロジーも実装されて、産業用途向けの光エンジンが強化されます。 nLight の AFX レーザー技術は、これまで EOS グループ傘下の AMCM の金属 3D プリンターで使用されていました。
さらに、Equispheres と Aconity3D はレーザービーム成形 3D 印刷技術も使用して、業界標準の約 9 倍の印刷速度を実現します。 Equispheres の NExP-1 アルミニウム粉末は、Aconity3D の AconityMIDI+ LPBF 3D プリンターと連携して動作し、1 時間あたり 430 立方センチメートルを超える単一レーザー印刷速度を実現します。
印刷システムは、ビーム成形機能を備えた IPG YLR 3000/1000-AM レーザーを使用するように適合されました。増幅されたガウスプロファイル上で成形ビームを使用することで、高速 3D 印刷中の過熱が低減され、スパッタの形成が緩和されます。

フラウンホーファーILTは、プロセスの安定性と生産効率を大幅に向上させる新しいLPBFレーザービーム成形プラットフォームを開発しました。

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