金属積層造形のためのDBL

金属積層造形のためのダイナミックビーム整形

金属積層造形の課題への対応

 

レーザーベースの積層造形(AM)技術は、ミリメートル(PBF-LB/M)からメートル(DED-LB/M)まで、さまざまなサイズの部品を製造します。スケールに関係なく、局所的な温度分布とメルトプールのダイナミクスは、最終部品の機械的特性に大きく影響します。不利な温度分布は、溶融物の排出、スパッタ、層間剥離や多孔性などの欠陥などの問題として、プロセスの不安定性につながります。主な問題は次のとおりです。

 

機械的特性の不適切な制御
不適切なエネルギー入力は、融合の欠如や多孔性などの欠陥を引き起こし、密度だけでなく微細構造にも影響を及ぼし、したがって最終部品の機械的特性のばらつきにも影響を及ぼします。

 

後処理の必要性
最終部品の寸法と表面品質(表面粗さなど)を改善するには、時間のかかる後処理操作が必要です。

 

生産性が低いため、部品あたりのコストが高い
複雑な部品形状を製造する能力があるにもかかわらず、プロセス速度が限られているため、部品あたりのコストは高くなります。

 

限られた材料ポートフォリオ
印刷可能な金属合金のポートフォリオは、印刷作業中の不適切な温度条件による亀裂の原因など、固有の材料不良のために制限されています。
これらの課題の根本的な原因は、従来のレーザー材料プロセスに関連する急な温度勾配と高い冷却速度にあります。時間と空間の両方で入力されたレーザーエネルギーを動的かつ正確に整形できないため、メーカーは多様な材料と設計の要件を満たす能力に制約があります。このホワイトペーパーでは、アディティブ・マニュファクチャリング・アプリケーションへのダイナミック・ビーム・シェイピングを紹介し、コヒーレント・ビーム・コンバインが業界を変革する可能性を実証しています。

 

不適切なエネルギー入力によって引き起こされるポロシティとクラック

 

 

 

プロセス関連の欠陥(融合の欠如、多孔性、内部応力など)を最小限に抑え、プロセス結果(微細構造、表面粗さなど)を制御するために必要な空間と時間でのエネルギー入力の制御。

 

Civanのダイナミックビームレーザー(DBL)技術は、ダイナミックビームシェーピングを通じて変革機能を提供し、レーザーエネルギー分布のリアルタイム変調を可能にします。DBLがレーザーベースの積層造形において大きな利点を提供する2つの主要なアプリケーションを以下に示します。

 

 

PBF-LB/M DBLによる生産性の向上
軽量チタン合金Ti6Al4Vを用いたシングルトラック実験では、PBF-LB/Mの溶接シーム形状に対するレーザービーム形状の違いの影響を調査しました。実験は、1000 Wのレーザー出力、1 m / sのスキャン速度、および50 μmの粉末層の厚さを使用して、一定のプロセス条件下で行われました。リング状のビームプロファイルとスパイラル状のビームプロファイルを、標準的なガウスビームプロファイルと比較しました。その結果、図2に示すように、高度なビーム形状の溶接シーム幅が大幅に改善されたことが示されています。

• リング状のビームプロファイルは、標準のガウスビームと比較して溶接シーム幅を23%増加
• スパイラルビーム形状は、標準的なガウスビームと比較して、溶接シーム幅をさらに134%拡大

なぜこれが重要なのでしょうか?溶接シームの幅が広いため、印刷プロセス中に連続する溶接トラック間のハッチ距離を長くすることができます。これにより、同じエリアをカバーするために必要なトラックの数が減り、(1)印刷時間が短縮され、(2)生産性が向上します。さらに、リングやスパイラルの強度プロファイルなどのビーム形状をミリ秒の範囲で動的に切り替えることで、この技術により、印刷プロセス中に溶接シームの形状を柔軟に調整することができます。これは、小さくて精密な構造と大きくて広大な領域を組み合わせた部品のプリント適性に大きく関連しています。このリアルタイムの適応性により、部品の幾何学的条件に基づいて最適な溶接シーム性能が保証されます。

 

Ti6AI4V粉末を用いた3つの異なるビーム形状（1kW, 1m/s）のシングルトラック実験の結果

プロファイルによりシーム幅が変わっている

 

 

DED-LB/M: DBLによるメルトプール形状の制御
溶融予め堆積した粉末層に依存するPBF-LB/Mとは異なり、DED-LB/Mは、粉末またはワイヤー材料を溶融プールに直接堆積させて体積蓄積を生成します。ダイナミックビームシェーピングがDED-LB/Mプロセスにどのように影響するかを理解するために、スノーフレークとアワグラスの2つのビーム形状の性能を比較しました。スノーフレークビームの形状は静的エネルギー入力アプローチに似ていますが、砂時計ビーム形状の使用は、メルトプールの前縁と後縁の間のエネルギー入力の動的変化に依存しています。実験は、500 Wのレーザー出力、400 mm/minの送り速度、および3 g/minの熱間加工鋼粉末AlSlH11の粉末質量流量を使用して、一定のプロセス条件下で行われました。
これは、DED-LB/Mのメルトプール形状を正確に制御できるようにすることで、生産性を向上させるダイナミックビームシェーピングの有効性を浮き彫りにしています。

 

 

 

金属AMに対するDBLの可能性
最初の結果をアディティブ・マニュファクチャリングの文脈でまとめると、DBLの次の可能性を導き出すことができます。

 

生産性の向上:

• ビームプロファイルを部品の形状に合わせて調整することで、高速生産能力を組み合わせ、より高い送り速度を実現します。
• 後処理時間を短縮します。

 

アディティブマニュファクチャリングの単位セルのステアリング:

• 微細構造制御:局所冷却速度の適応による微細構造と結果として生じる機械的特性の調整。
• プリントが難しい材料のプリント適性の向上:例えば、ニッケルベースの超合金のような高強度材料の積層造形は、凝固プロセスに影響を与えることで亀裂のリスクを最小限に抑えます。

 

 

Metal AMの新たな可能性を解き放つ
DBL技術は、金属積層造形のパラダイムシフトを表しています。このイノベーションは、リアルタイムの動的ビーム整形を可能にすることで、微細構造制御、部品品質、生産性における長年の課題に対処します。DBLレーザへの投資により、メーカーは設計と材料性能の限界を押し広げ、急速に進化する業界で競争力を確保できます。その適応性と精度により、この技術はアディティブマニュファクチャリングの未来を再定義する準備ができています。