金属3Dプリンティングにおけるファイバーレーザーの応用に関する検討

の 添加剤マニュアル金属材料の製造（3Dプリンティング）プロセスは、航空、宇宙、航海、車両、金型製造、医療機器などの分野で非常に需要が高い。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ある。中でも、レーザービームは金属積層造形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ある。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、特定の材料位置に照射できるという利点がある。金属材料を瞬時に溶融させることができ、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る。

レーザー3Dプリンティングの基本原理

レーザー3Dプリンティング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。異なる材料は、異なる波長のレーザーを異なる割合で吸収します。一般的に、ポリマーの印刷にはCO2レーザーが、金属粉末の印刷にはファイバーレーザーが使用されます。

レーザー積層造形は、加工方法の違いにより、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類できます。中でも、選択的レーザー溶融（SLM）は、最も広く用いられている金属レーザー3Dプリンティング技術の一つです。

選択的レーザー溶融（SLM）印刷装置の基本構造を図に示す。印刷前に、3Dモデルを積層し、走査軌道を決定する必要がある。最初のステップは、スクレーパーで作業台を均一に削り、粉末層を敷き詰めることである。2番目のステップは、この粉末層にレーザーで特定の軌道を走査して粉末を溶融させ、層を印刷することである。3番目のステップは、作業台を1層下げ、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部品を形成することである。酸化を防ぐため、作業室は全工程を通して真空引きし、不活性ガスを充填する必要がある。

レーザー3Dプリンティング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つの側面で表されます。一つは出力と出力安定性、もう一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プリンティングプロセスは主にレーザーの熱効果に依存しています。材料を溶融させるには、レーザー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パワーが重視され、レーザーのパルスモードはそれほど重要視されません。したがって、通常は連続ファイバーレーザーが使用され、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、層数が多いほど、印刷時間は長くなります。一般的に、印刷時間は数時間から数十時間に及びます。そのため、レーザーの長期安定動作には高い要求が課せられます。温度が高すぎると、金属粉末が過熱して他の成形部品が再溶解する可能性があります。逆に温度が低すぎると、金属粉末が完全に溶解せず、結合力が不十分となり、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一つです。3Dプリンティングはレーザービームスキャンによって行われます。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まり、印刷物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で表されます。M2が1に近いほどビーム品質は良好で、レーザーエネルギーの集中度が高く、周囲への熱影響は小さくなります。同時に、ビーム品質が良好であるほど、対応する発散角は小さくなり、集光スポットも小さくなります。

03 GW Laser TechとFASTFORMによる3Dプリンティング分野の探求
高輝度ファイバーレーザーの世界的リーダーであるGW Laser Techは、 3Dプリンティング技術また、医療機器、自動車部品、航空宇宙などの分野を対象とした3Dプリンティング用途向けに、500Wのシングルモード10μm/14μm連続ファイバーレーザーを発表した。

中でも、10μmと14μmという異なるコア径はスポットサイズを決定し、これは主にレーザー出力密度、すなわち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高くなります。高出力密度のスポットは、融点が高い金属粉末や反射率の高い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20kg未満、コンパクトな構造、小型、軽量で、比類のない統合の利便性と柔軟な汎用性を提供します。

➢ 本製品は、3Dプリンティング環境を想定した密閉型設計を採用しており、レーザーの全体的な信頼性を大幅に向上させ、IP65の保護レベルを実現し、高温、高湿度、高粉塵などの過酷な環境下でも連続運転が可能です。

➢ 最大出力は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の成形に十分です。

➢ 優れた電力安定性、1時間あたりの変動率0.5%未満で、超長時間印刷におけるプロセスの一貫性を確保します。

➢ 優れたビーム品質、M2

FASTFORM（FastForm）は、3Dプリンティング技術と機器の研究開発を専門とする企業であり、最高レベル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。当社は広匯レーザーと緊密な協力関係を築いており、今後、航空宇宙、自動車モデル、バイオメディカルなどの分野の主要部品について3Dプリンティング実験と研究を実施します。当社は、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、これらはすべて量産されており、カスタマイズされた位置付けソリューションをサポートしています。当社は、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。この装置は完全自動化されており、無人です。

この製品には、以下のような大きな利点があります。

➢ 双方向かつ可変速の粉体散布技術により、高い粉体利用率を実現します。

➢ 独自開発のソフトウェアにより、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できます。

➢ 専用カメラが付属しており、完全自動制御と遠隔での無人運転を実現できます。

➢ 本装置は一体型溶接構造を採用しており、非常に安定性が高く、設置も容易です。

3Dプリンティング業界の現状と今後の展望
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突入しています。中国ビジネス産業研究所の統計によると、2021年の下流応用分野において、機械産業が17.5%と最大の割合を占め、次いで家電（16.6%）、自動車（16.1%）となっています。家電産業と自動車産業の急速な発展に伴い、これら2つの分野における3Dプリンティングの応用範囲は今後さらに拡大していくでしょう。

業界規模に関して言えば、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平均複合成長率は約26.59%で、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、機器、材料、サービスの3つの側面から構成されており、その中でも印刷機器が最大のシェアを占めている。CCIDが発表したデータによると、2020年の中国の3Dプリンティング機器産業の規模は92億5400万元で、最大の割合を占めている。

現状では、3Dプリンティング機器の価格は依然として比較的高い。これは、外国の特許や独占によるものもあるが、我が国の3D産業の発展が遅れ、需要が少なく、自主性が低いことも一因である。しかし、我が国のハイエンド製造業の高度化と発展、技術開発、コスト削減に伴い、今後、我が国の3Dプリンティング産業は国産化が進む傾向を示すだろう。3Dプリンティング技術の大規模な発展を促進するためには、機器メーカー間の緊密な連携が不可欠である。

広匯レーザーは、レーザー製品技術の研究開発に注力するだけでなく、レーザー加工技術分野の探求も継続し、顧客のアプリケーション上の課題解決を支援することに尽力しています。国内有数の3Dプリンティング機器メーカーであるFASTFORMは、3Dプリンティングのあらゆる側面を熟知しており、経験豊富なコンサルティングチームを擁し、3Dプリンティング分野における専門的なハイエンド製品を顧客に提供しています。今後、広匯レーザーはFASTFORMと協力し、中国におけるレーザー3Dプリンティング技術の応用と発展を促進し、業界の高度化を支援していきます。出典：広匯レーザー　著者：アプリケーションエンジニア　顧嘉興