革新的な露出戦略で3Dプリンティングを再構築する

2022年6月28日｜読了時間：7分

EOSでは、3Dプリントプロセスを向上させるための新しい技術や方法を常に探求しています。私たちのチームは、レーザー露光のためのエキサイティングな新戦略を開発しました。

レーザー照射の新戦略

EOSでは、3Dプリントプロセスを向上させるための新しい技術や方法を常に探求しています。私たちのチームは、レーザー露光のためのエキサイティングな新戦略を開発しました。

なぜ品質保証がこれほど懸念されるのか？

従来の製造方法に対する3Dプリンティングの主な利点は、その効率性である。しかし、比較的新しい技術と同様に、進歩の機会はまだたくさんあります。EOSでは、常に積層造形（AM）プロセスの改良と改善に取り組んでいます。3Dプリンティング技術とテクニックを進歩させる継続的な努力の中で、私たちは、これまでベストプラクティスと考えられてきた方法に対して優れた結果をもたらす新しい露光戦略方法を開発しました。

この記事では、一般的に使用されている3Dレーザープリンティングのプロセス、それがもたらす課題、そしてそれらの問題に取り組むための研究の成果を紹介し、新しい方法論に結実させます：レーザーセンター依存露出戦略（LCDS）。一見些細な調整が、いかに積層造形に大きな変化をもたらすかをご覧ください。

LPBF 3Dプリントの仕組み

積層造形の原理は、レイヤーごとの構造に特徴がある。造形は3D生成されたモデル（CAD）から始まり、CADは多数の薄い層にスライスされ、AM装置（3Dプリンター）に送られる。プリンターでは、材料粉末の薄い層が造形プラットフォームに塗布され、強力なレーザービームが、コンピューターで生成された設計データ（CADモデル）によって指定された特定の位置で粉末を溶かす。その後、ビルドプラットフォームがジョブ固有の高さまで下げられ、ビルドプラットフォームに別のパウダー層が塗布される。新しい材料層は再び溶かされ、下の層と接続される。これらの工程は、最終的な部品が完成するまで繰り返される。

プリンターで使用される高精度のレーザーは、粉体ベッドを所定のパターンで移動し、デジタル設計されたオブジェクトを形成するために必要な瞬間にのみ発射される。完璧に均一な粉末の薄い層が追加されるたびに、レーザーはベッドの上で同じ移動パターンを繰り返す。

EOSメタル・プロセス・エンジニアのチームは、レーザーの割り当てと動きをプログラムする別の方法を確立するために一連の実験を行い、精度と造形品質を向上させました。しかし、この新しい方法を探求する前に、積層造形レーザーが現在どのように動作しているかを理解することが重要です。

現在の戦略DMLS

選択的レーザー溶融（SLM）、レーザー粉末床融合（LPBF）、レーザー金属融合（LMF）とも呼ばれるDLMS技術は、3Dプリンティングレーザーの一貫した移動パターンを利用する。このパターンは露光戦略として知られている。レーザーは、パウダーベッドの端から端まで（ストライプ方向と呼ばれる）、造形プラットフォーム上を左右に蛇行しながら交互に通過します（これがスキャンベクトルです）。レーザーは、方向とは関係なく、適時かつ効率的に各パスで発射される。

従来の紙プリンターと同じように、レーザーは別のスキャンベクトルを完了する前に、ビルドプラットフォームの片側（紙でいうところの「マージン」）に戻る必要がない。これは印刷プロセスの時間を節約するが、いくつかの潜在的な問題もある。

スパッタ形成

レーザーがパウダーベッドに当たると、材料が焼結して固形物が形成される。しかし、高いエネルギー入力とレーザーの動きにより、一部の粉末粒子は衝突点から逸脱します。これらの粒子はスパッタとも呼ばれます。砂粒がボールの着地点から押し退けられるのと同じように、これらの粒子は衝突角度によって決まる方向に移動します。

露光プロセス中、レーザーはパウダーベッドに対して多方向、様々な角度で移動します。レーザーの移動方向によって、加工位置から排出／偏向されるスパッターの量が異なります。その結果、粉末粒子はさまざまな方向に偏向され、ランダムな場所に粉末が不均一に蓄積されます。

レイヤーの欠陥

交互にスキャンするベクトルを使用することは、まだ焼結されていない領域を含め、スパッタが造形プラットフォーム上のどこにでも着弾する可能性があることを意味する。これは、粉末層の完全に均一な表面が損なわれ、その後にレーザーが当たる部分が不均一になる可能性があることを意味する。スパッタの量が多いほど、意図した固体表面を形成するために残される材料が少なくなるため、スパッタの形成量も重要である。

その結果、焼結のある時点でパウダーが多すぎたり少なすぎたりして、各層に小さな欠陥が生じる。これは、前の層が均等に形成されていない「隙間を埋める」必要があるため、次の層のパウダーが不均一になることにつながり、その結果、ある層が前の層と適切に接続されていない箇所が生じる。これにより、最終製品に欠陥や弱点が生じる。

解決策レーザーセンター別露出戦略（LCDS）

広範な実験を通じて、私たちのチームは、スキャンベクターとストライプを交互に使用することが、レーザー焼結に最も効果的な戦略ではないことを立証しました。チームは、ビルドプラットフォームの小さな断面領域を分離し、各レーザーセンター（プラットフォーム上のレーザーの位置）について、ストライプ方向と一方向スキャンベクトルのさまざまな組み合わせをテストした。特定の組み合わせは他の組み合わせよりも高品質な結果をもたらしたが、チームは対応するレーザーセンターに最適な組み合わせを特定することができた。

研究チームは、ストライプと一方向スキャンベクトルが適切なレーザー中心に特定の方法で整列される露光パターンを使用することで、ビルドプラットフォーム全体にわたって欠陥の低減とパーツの均質性の向上につながると結論づけた。レーザー中心の位置がガイド基準として提案されており、これがこの戦略が「レーザー中心依存露光戦略」（LCDS）と呼ばれる理由である。

これは、航空工学で必要とされるような、わずかな欠陥が重大な結果をもたらしかねない精密部品の作成を目指す場合に、最も関連性が高くなります。喜ばしいことに、私たちは、このような品質の利点をユーザーに提供するために、LCDSの知見の一部を3Dプリント・ソフトウェアに組み込み始めました。やがて、この新しい手法をさらに製品に導入するつもりです。