金属3Dプリントにおけるファイバーレーザーの応用の探究

金属材料の積層造形（3Dプリント）プロセスは、航空、航空宇宙、ナビゲーション、車両、金型製造、医療機器などの分野で大きな需要があります。現在、金属積層造形プロセスで使用される熱源には、レーザービーム、電子ビーム、マイクロビームプラズマの3つの高エネルギービームと焼結熱入力が含まれます。その中で、レーザービームは、金属積層造形の分野で最も広く使用されている高エネルギービーム熱源です。電子ビームやマイクロビームプラズマ熱源と比較して、レーザービームは、スポットが細かく、コストが低く、指定された材料位置に向けることができるという利点があります。金属材料の瞬間溶融を実現し、溶融チャネルの重なりや部品成形の要件を満たすことができます。

レーザー3Dプリントの基本原理

レーザー 3D 印刷で使用されるレーザーには、ファイバー レーザー、半導体レーザー、Nd:YAG レーザー、CO2 レーザーなどがあります。材料によって、波長の異なるレーザーの吸収が異なります。通常、CO2 レーザーはポリマーの印刷に使用され、ファイバー レーザーは金属粉末の印刷に使用されます。

レーザー積層造形は、処理方法の違いにより、選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、直接金属レーザー焼結、レーザー粉末堆積、直接金属堆積などに分けられます。その中でも、選択的レーザー溶融（SLM）は、最も広く使用されている金属レーザー 3D 印刷技術の 1 つです。

選択的レーザー溶融（SLM）印刷装置の基本構造を図に示します。印刷する前に、3Dモデルを層状に重ね、スキャン軌道を決定する必要があります。最初のステップは、スクレーパーで作業台を均等に削り、その上に粉末の層を広げることです。2番目のステップは、この粉末の層をレーザーで特定の軌道でスキャンして溶かし、層を印刷することです。3番目のステップは、作業台を1層下に移動し、上記の操作を繰り返して印刷層を下から上に積み重ね、印刷する3Dパーツを形成します。酸化を防ぐために、プロセス全体を通して作業室を真空にして不活性ガスで満たす必要があります。

レーザー3Dプリントにおけるレーザーの需要
レーザー 3D プリンティングにおけるレーザーの需要は、主に 2 つの側面に反映されます。1 つは出力と出力安定性、もう 1 つはビーム品質とスポット サイズです。

01 電力と電力安定性

3Dプリントのプロセスは主にレーザーの熱効果に依存しています。材料を溶かすには、レーザーの強度が一定のエネルギー閾値を超える必要があります。そのため、レーザーの平均出力に重点が置かれ、レーザーのパルスモードには敏感ではありません。そのため、通常は連続ファイバーレーザーが使用され、その出力はおおよそ100Wから1000Wの範囲に分布しています。
モデルが大きく、層が多いほど、印刷時間は長くなります。通常、印刷時間は数時間から数十時間です。そのため、レーザーの長期にわたる安定した動作には高い要求が課せられます。温度が高すぎると、金属粉末が過度に燃焼し、他の成形部品が再溶解する可能性があります。温度が低すぎると、金属粉末が完全に溶解せず、結合力が不十分になり、成形部品の形状が維持されない可能性があります。したがって、レーザーの出力安定性は、印刷品質にとって非常に重要です。

02 ビーム品質とスポットサイズ

ビーム品質とスポットサイズは、印刷精度を反映する重要なパラメータの 1 つです。3D 印刷はレーザー ビームのスキャンによって形成されます。レーザー スポットが小さいほど、スキャン精度が高くなり、印刷モデルの解像度が高くなり、印刷部品の表面がより繊細になります。
ビーム品質は通常、BPP または M2 によって特徴付けられます。M2 が 1 に近いほど、ビーム品質は向上し、レーザー エネルギーは集中し、周囲への熱の影響は小さくなります。同時に、ビーム品質が向上すると、対応する発散角は小さくなり、焦点スポットは小さくなります。

03 GWレーザーテックとFASTFORMの3Dプリント分野における探究
GWレーザーテックは、高輝度ファイバーレーザーの世界的リーダーとして、3Dプリント技術の台頭とともにこの応用分野も積極的に模索し、医療機器、自動車部品、航空宇宙などの分野をターゲットとした3Dプリント用途の500Wシングルモード10μm/14μm連続ファイバーレーザーを発売しました。

その中で、10μmと14μmの異なるコア径はスポットサイズを決定し、主にレーザー出力密度、つまり単位面積あたりの光エネルギー量に影響します。同じ出力条件下では、スポットサイズが小さいほど、レーザー出力密度は大きくなります。高出力密度スポットは、高融点または高反射の金属粉末の印刷に適しています。

製品の利点:

➢ 超薄型軽量設計、19 インチ 1.5U 高さ設計、重量

➢ 製品構造は、3D プリント環境を対象とした密閉設計を採用しており、レーザーの全体的な信頼性が大幅に向上し、IP65 保護レベルを備え、高温、高湿度、高粉塵などの過酷な環境でも継続的に動作できます。

➢ 最大電力は 500W で、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、チタン合金、ニッケル基高温合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金などの一般的な金属材料を成形するのに十分です。

➢ 電力安定性が良好で、1 時間あたりの変動が 0.5% 未満であるため、超長尺印刷のプロセス一貫性が確保されます。

➢ 良好なビーム品質、M2

FASTFORM（ファストフォーム）は、3Dプリント技術と設備の研究開発を専門とする会社で、トップクラスのラピッドプロトタイピングサービスとサポートソリューションを提供できます。光輝レーザーと緊密な協力関係を築き、将来的には航空宇宙、自動車モデル、バイオメディカルなどの分野の重要部品の3Dプリント実験と研究を行う予定です。FF-M140シングルレーザー製品、FF-M150教育専用モデル、FF-M180Dデュアルレーザー歯科専用モデル、FF-M300H 1000W高出力レーザー産業用モデル、FF-M500デュアルレーザーモデル、FF-M800 4レーザー製品を発売しており、すべて量産されており、カスタマイズされたローカリゼーションソリューションをサポートしています。マルチレーザースライスおよびパス生成ソフトウェアであるFastLayerを独自に開発しました。この装置は全自動で無人です。

この製品には、次のような大きな利点があります。

➢ 双方向および可変速度の粉末拡散技術、高い粉末利用率。

➢ ワンクリックで自動スライスとパスプランニングを完了する独自開発のソフトウェア。

➢ 独自のカメラが付属しており、遠隔での全自動制御と無人操作を実現できます。

➢ この装置は一体型溶接構造を採用しており、安定性が高く、設置も簡単です。

3Dプリンティング業界の現状と発展の見通し
現在、3Dプリンティングはラピッドプロトタイピングの時代に入っている。中国ビジネス産業研究所の統計によると、2021年の下流応用分野のうち機械産業が最大の割合を占め、17.5％に達し、次いで家電（16.6％）、自動車（16.1％）となっている。家電と自動車産業の急速な発展に伴い、この2つの分野における3Dプリンティングの応用分野は今後さらに拡大するだろう。

業界規模に関して、中国投資ネットワークの予測によると、2021年から2025年までの3Dプリンティングの年間平均複合成長率は約26.59％となり、2025年には701億元に達する見込みです。

3Dプリンティングは、設備、材料、サービスの3つの側面をカバーしており、その中で印刷設備が最大のシェアを占めています。CCIDが発表したデータによると、2020年の中国の3Dプリンティング設備産業の規模は92億5,400万元で、最大の割合を占めています。

現在、3Dプリント設備の価格はまだ比較的高いです。一方では、外国の特許と独占によるものです。他方では、わが国の3D産業の開始が遅く、需要が少なく、自立度が低いためです。わが国のハイエンド製造業のアップグレードと発展、技術の発展、コストの削減に伴い、わが国の3Dプリント業界は今後、現地化が進む傾向にあります。設備メーカー間の緊密な協力は、3Dプリント技術の大規模な開発を促進するために不可欠です。

光輝レーザーはレーザー製品技術の研究と革新に注力するだけでなく、レーザー加工技術の分野でも探求を続けており、顧客の応用問題の解決に尽力しています。国内有数の3D印刷機器メーカーであるFASTFORMは、3D印刷のあらゆる側面に精通しており、経験豊富なコンサルティングチームを擁し、3D印刷分野の専門的なハイエンド製品を顧客に提供しています。今後、光輝レーザーはFASTFORMと協力して、中国におけるレーザー3D印刷技術の応用と開発を促進し、業界のアップグレードに貢献します。出典：光輝レーザー著者：アプリケーションエンジニアGu Jiaxing