レーザーアディティブメタルテクノロジー

このレビューでは、レーザー添加剤の製造方法による金属製品の製造に関する基本的な情報を一般的な形で提示しようとしました-80年代後半に生まれ、今日、医学、航空機の分野で小規模または単一ユニットの製造のための有望な技術となっている比較的新しく興味深い技術的な方法です-そしてロケット科学。



次のように、レーザー放射を使用した積層造形の設備の動作原理を簡単に説明します。 粉体層を塗布し、水平にする装置は、フィーダーから粉体層を取り除き、基材の表面に均等に分配します。 その後、レーザービームはこの粉末層の表面をスキャンし、溶融または焼結することで製品を形成します。 粉体層のスキャンの終わりに、製造された製品を備えたプラットフォームが適用された層の厚さまで下げられ、粉体を備えたプラットフォームが上昇し、粉体層を適用してスキャンするプロセスが繰り返される。 プロセスが完了したら、製品のあるプラットフォームを持ち上げ、未使用の粉末を取り除きます。







積層造形工場の主要部品の1つは、CO ₂ 、Nd：YAG、イッテルビウムファイバーまたはディスクレーザーを使用するレーザーシステムです。 金属と炭化物の加熱には、レーザーが生成する放射を25〜65％良好に吸収するため、1〜1.1μmの波長のレーザーの使用が好ましいことが確立されています。 同時に、波長10.64ミクロンのCO ₂レーザーの使用は、ポリマーや酸化物セラミックなどの材料に最適です。 より高い吸収能力により、浸透深さを増加させ、より広い範囲にわたってプロセスパラメータを変化させることができます。 通常、積層造形で使用されるレーザーは継続的に動作します。 それらと比較して、高いパルスエネルギーと短いパルス持続時間（ナノ秒）のためにパルスレーザーとQスイッチレーザーを使用すると、層間の結合強度を改善し、熱影響ゾーンを減らすことができます。 結論として、使用されるレーザーシステムの特性は、レーザー出力-50-500 W、最大2 m / sのスキャン速度、最大7 m / sの位置決め速度、集光スポットの直径-35-400ミクロンの範囲にあることに注意することができます。



レーザーに加えて、電子ビーム加熱を粉末加熱のソースとして使用できます。 Arcamは、1997年に設置でこのオプションを提案および実装しました。電子ビーム銃を備えた設置は、電子ビームが磁場および偏向器によって集束および誘導され、チャンバー内の真空の生成が製品の品質にプラスの影響を与えるため、可動部がないことを特徴としています。



積層造形の重要な条件の1つは、粉末の酸化を防ぐ保護環境の作成です。 この条件を満たすために、アルゴンまたは窒素が使用されます。 ただし、保護ガスとしての窒素の使用は制限されており、これは窒化物（たとえば、アルミニウムおよびチタン合金からの製品の製造におけるAlN、TiN）の形成の可能性に関連し、材料の延性の低下につながります。



材料圧縮プロセスの特性に応じたレーザー積層造形法は、選択的レーザー焼結（SLS）、間接金属レーザー焼結（IMLS）、直接金属レーザー焼結（DMLS）に分類できます。 ）および選択的レーザー融解（選択的レーザー融解（SLM））。 第１の実施形態では、粉末層の圧縮は、固相焼結により生じる。 第二に-以前にレーザー放射によって形成された多孔質骨格の束による含浸のため。 金属の直接レーザー焼結は、粉末混合物中の可融成分の融解による液相焼結メカニズムによる圧縮に基づいています。 後者の実施形態では、完全な溶融および溶融物の広がりにより圧縮が起こる。 添加剤生産のあるタイプのプロセスでは、他のプロセスに特徴的な圧縮メカニズムが現れる可能性があるため、この分類は普遍的ではないことに注意してください。 たとえば、DMLSおよびSLMでは、SLSで発生する固相焼結が発生する可能性がありますが、SLMでは、DMLSの特徴である液相焼結が発生する可能性があります。

選択的レーザー焼結（SLS）

固相選択性レーザー焼結は広く普及していません。体積と表面拡散のより完全な流れ、粉末焼結中に発生する粘性流およびその他のプロセスのために、レーザー放射への比較的長い暴露が必要であるためです。 これは、長期のレーザー操作とプロセスの低い生産性につながり、このプロセスを経済的に実行不可能にします。 さらに、プロセス温度を融点と固相焼結温度の間で維持するのが困難になります。 固相選択的レーザー焼結の利点は、製品の製造に幅広い材料を使用できることです。

間接レーザー金属焼結（IMLS）

「金属の間接レーザー焼結」と呼ばれるプロセスは、1995年にオースティンのDTMcorpによって開発され、2001年から3D Systemsが所有しています。 IMLSプロセスでは、粉末とポリマーまたはポリマーコーティングされた粉末の混合物を使用します。ポリマーはバインダーとして機能し、さらなる熱処理に必要な強度を提供します。 熱処理の段階で、ポリマーが留去され、フレームワークが焼結され、多孔性フレームワークに金属バインダーが含浸され、その結果、最終製品が得られます。



IMLSには、金属とセラミックの両方の粉末、またはそれらの混合物を使用できます。 ポリマーと粉末の混合物は、機械的混合によって調製されますが、ポリマー含有量は約2〜3％（重量）であり、粉末被覆ポリマーを使用する場合、粒子表面の層厚は約5μmです。 エポキシ樹脂、水ガラス、ポリアミド、その他のポリマーがバインダーとして使用されます。 ポリマーの蒸留温度は、その融解および分解の温度によって決定され、平均400〜650℃です。ポリマーの蒸留後、含浸前の製品の多孔度は約40％です。 含浸時には、温度が上昇すると接触角が減少し、溶融粘度が低下し、含浸プロセスに有利に影響するため、炉は含浸材料の融点より100〜200℃高い温度まで加熱されます。 通常、将来の製品の含浸は、ポリマーの蒸留から強力な粒子間接触の形成までの間、製品の破壊または変形のリスクがあるため、支持フレームの役割を果たす酸化アルミニウムのベッドで行われます。 酸化に対する保護は、炉内に不活性または還元媒体を作成することにより構成されます。 含浸には、次の条件を満たす非常にさまざまな金属および合金を使用できます。 含浸用の材料は、完全な不在またはわずかな界面相互作用、濡れの小さな接触角、およびベースの融点より低い融点を特徴とする必要があります。 たとえば、成分が互いに相互作用する場合、含浸プロセスで、より耐火性の化合物または固溶体の形成などの望ましくないプロセスが発生する可能性があり、これにより含浸プロセスが停止したり、製品の特性と寸法に悪影響を与えたりする可能性があります。 通常、青銅は金属フレームの含浸に使用されますが、製品の収縮は2〜5％です。







IMLSの欠点の1つは、耐火相（基材）の含有量を広く制御できないことです。 最終製品におけるその割合は粉末のかさ密度によって決定されるため、粉末の特性に応じて、粉末材料の理論密度の3倍以上低くなる可能性があります。



IMLSに使用される材料とその特性

直接レーザー金属焼結（DMLS）

金属の直接レーザー焼結のプロセスはIMLSに似ていますが、ポリマーの代わりに、低融点の合金または化合物が使用され、含浸などの技術的操作がないという点で異なります。 DMLSのコンセプトは、ドイツの企業EOS GmbHに基づいており、1995年にスチール-ニッケルブロンズパウダーシステムの直接レーザー焼結用の商業施設を作成しました。 DMLS法によるさまざまな製品の調製は、形成されたメルトバンドルが毛管力の作用下で粒子間の空隙に流れ込むことに基づいています。 このプロセスを正常に完了するために、粉末混合物にリン化合物を添加します。これにより、溶融物の表面張力、粘度、酸化状態が低下し、濡れ性が向上します。 バインダーとして使用される粉末は、通常、ベース粉末よりもサイズが小さくなります。これにより、粉末混合物のかさ密度を高め、溶融物の形成を促進できるためです。



EOS GmbHがDMLSに使用する材料とその特性

選択的レーザー融解（SLM）

アディティブマニュファクチャリングのためのプラントのさらなる改善は、より強力なレーザーを使用する可能性の出現、集束スポットの直径の縮小、および粉末のより薄い層の適用に関連しており、さまざまな金属および合金からの製品の製造にSLMを使用できるようになりました。 通常、この方法で得られる製品の多孔度は0〜3％です。

上記の方法（IMLS、DMLS）と同様に、湿潤性、表面張力、溶融粘度は製造プロセスで大きな役割を果たします。 SLMでのさまざまな金属および合金の使用を制限する要因の1つは、溶融物の固体経路ではなく、互いに分離した液滴の形で現れる「球状形成」または球状化の効果です。 この理由は、最小表面積の金型を形成することにより、溶融物が自由表面エネルギーを低減しようとする作用下での表面張力です。 ボール。 この場合、マランゴニ効果は溶融ストリップで観察され、温度の関数としての表面張力の勾配により対流の形で現れます。対流が十分に強い場合、溶融ストリップは別々の液滴に分割されます。 また、表面張力の影響下での溶融物のドロップは、近くの粉末粒子を引き込み、ドロップの周りにピットを形成し、最終的には多孔性を増加させます。





非最適SLMモードでのM3 / 2鋼の球状化



球状化効果は、酸素の存在によっても促進され、酸素は金属に溶解し、溶融物の粘度を増加させ、下層の下の溶融物の広がりと濡れ性の悪化につながります。 上記の理由により、スズ、銅、亜鉛、鉛などの金属から製品を入手することはできません。



高品質の溶融ストリップの形成は、通常非常に狭いプロセスパラメーターの最適な領域（レーザー放射パワーとスキャン速度）の検索に関連していることに注意してください。





形成された層の品質に対する金SLMパラメーターの影響



製品の品質に影響するもう1つの要因は、内部応力の出現です。内部応力の存在と大きさは、製品の形状、加熱および冷却速度、熱膨張係数、金属の相変化および構造変化に依存します。 著しい内部応力は、製品の変形、マイクロクラックおよびマクロクラックの形成につながる可能性があります。



上記の要因による悪影響は、通常は基材または粉末フィーダーの周囲の設備内にある加熱要素を使用することにより、部分的に減らすことができます。 また、粉末を加熱すると、粒子の表面から吸着水分を除去し、酸化の程度を減らすことができます。



アルミニウム、銅、金などの金属をレーザーで選択的に溶融する場合、それらの高い反射率は重要な問題ではなく、強力なレーザーシステムを使用する必要があります。 しかし、レーザービームの出力を上げると、製品の寸法の精度に悪影響を与える可能性があります。過熱すると、粉末が熱伝達によりレーザースポットの外側で溶けて焼結するためです。 高レーザー出力は、金属の蒸発の結果として化学組成の変化を引き起こす可能性があり、これは低融点成分を含み、蒸気圧が高い合金に特に特徴的です。



SLM法で得られた材料の機械的性質（EOS GmbH社）





上記の方法のいずれかで得られた製品に残留気孔がある場合、必要に応じて、追加の技術的操作を使用して密度を上げます。 この目的のために、粉末冶金法が使用されます-焼結または熱間静水圧プレス（HIP）。 焼結により残留気孔が除去され、材料の物理機械的特性が向上します。 焼結プロセス中に形成される材料の特性は、材料の組成と性質、細孔のサイズと数、欠陥の存在、その他多くの要因によって決まることを強調しておく必要があります。 ISUは、ガスサーモスタットに配置されたプリフォームを、高温と不活性ガスによる包括的な圧縮の影響下で圧縮するプロセスです。 ガスサーモスタットが到達する動作圧力と最高温度は、その設計と容積に依存します。 たとえば、900x1800 mmの作業室サイズを持つガスサーモスタットは、1500 oCの温度と200 MPaの圧力を発生させることができます。 気孔率が8％以下であれば、ISUを使用して気孔を排除できます。気孔率が8％を超えると、気体が気孔を通って製品に浸透し、圧縮が妨げられるためです。 製品へのガスの侵入は、製品表面の形状を繰り返すスチールシールシェルを製造することで排除できます。 しかし、積層生産によって得られる製品は基本的に複雑な形状をしているため、このようなシェルを製造することはできません。 この場合、シーリングには、製品が粒状媒体（Al ₂ O ₃ 、BN _hex 、グラファイト）に入れられ、製品の壁に圧力がかかる真空密閉容器を使用できます。



SLMメソッドを使用した積層造形の後、材料は、特性の異方性、残留応力の存在による強度の増加、延性の低下によって特徴付けられます。 残留応力を緩和し、より平衡な構造を得るため、材料の粘度と延性を高めるために、アニーリングが実行されます。



以下のデータによると、選択的なレーザー溶融によって得られた製品は、場合によっては、キャストよりも2〜12％強力であることがわかります。 これは、溶融物の急速な冷却の結果として形成される小さな粒径と微細構造成分によって説明できます。 溶融物の急速な過冷却により、固相核の数が大幅に増加し、臨界サイズが縮小します。 この場合、互いに接触している核上で急速に成長する結晶は、それらのさらなる成長を妨げ始め、それにより、きめの細かい構造を形成します。 結晶核は通常、非金属介在物、気泡、または溶融物から放出された粒子であり、液相への溶解度は限られています。 そして一般的な場合、ホール-ペッチの関係によると、粒径が小さくなると、粒界の発達したネットワークにより金属の強度が増加し、これは転位の移動に対する効果的な障壁です。 合金の化学組成とその特性、SLMの実施条件が異なるため、溶融物の冷却中に発生する上記の現象は、異なる強度で現れることに注意してください。



SLMおよび鋳造によって得られた材料の機械的特性





もちろん、これは、選択的レーザー融解によって得られる製品が従来の方法によって得られる製品よりも優れていることを意味するものではありません。 製品を製造するための従来の方法には大きな柔軟性があるため、製品の特性を広範囲にわたって変えることができます。 たとえば、結晶化温度条件の変更、合金への合金化および溶融物への調整剤の導入、熱サイクル、粉末冶金、熱機械処理などの方法を使用すると、金属および合金の強度特性を大幅に向上させることができます。



特に興味深いのは、複雑な機械的特性を備えた安価な材料としての、積層造形用の炭素鋼の使用です。 鋼の炭素含有量が増加すると、その流動性と濡れ性が向上することが知られています。 このため、94〜99％の密度で0.6〜1％のCを含む単純な製品を得ることができます。一方、純鉄を使用した場合、密度は約83％です。 炭素鋼の選択的レーザー溶解のプロセスでは、急速冷却中に、メルトトラックがトルーサイトまたはソルビトールの構造の焼き入れと焼き戻しを受けます。 同時に、熱応力と構造変化により、金属に大きな応力が発生する可能性があり、これが製品のリーシュまたは亀裂の形成につながります。 製品の形状も重要です。これは、断面に沿った急激な移行、小さな曲率半径、および鋭いエッジが割れを引き起こすためです。 「印刷」後に所定のレベルの機械的性質を持たない鋼に追加の熱処理を施す必要がある場合、焼入れ欠陥の出現を避けるために、製品の形状に関する前述の制限を考慮する必要があります。 これにより、炭素鋼にSLMを使用する可能性が多少低下します。

従来の方法による製品の製造では、複雑な形状の製品の硬化中に亀裂やリーシュを回避する方法の1つは、合金鋼を使用することです。合金鋼は、機械的および物理化学的特性を高めることに加えて、冷却時にオーステナイトの変態を遅らせ、その結果、臨界焼入れ速度が低下し、合金鋼の焼入れ性が向上します。 臨界硬化率が低いため、鋼は油または空気中で焼成され、内部応力のレベルが低下します。 ただし、熱の急速な除去、冷却速度を制御できないこと、および合金鋼中の炭素の存在により、この技術は選択的レーザー溶解中に著しい内部応力の出現を回避しません。



上記の特徴に関連して、マルテンサイト鋼（MS 1、GP 1、PH 1）がSLMに使用され、熱処理中の分散金属間相の析出により硬化と硬度の増加が達成されます。 これらの鋼は少量の炭素（100分の1パーセント）を含んでおり、その結果、急速冷却時に形成されるマルテンサイト格子は歪みが少ないため、硬度が低いのが特徴です。 マルテンサイトの低硬度と高延性により、硬化中の内部応力が緩和され、合金元素の含有量が高いため、ほとんどすべての冷却速度で鋼を深部まで焼成できます。 これにより、SLMの助けを借りて、割れやゆがみを恐れることなく複雑な製品を製造し、熱処理することができます。 マルエージング鋼に加えて、316Lなどのオーステナイト系ステンレス鋼も使用できます。



結論として、現在、科学者とエンジニアの努力は、機械的特性を改善し、レーザー積層造形に適した材料の範囲を拡大するために、レーザー放射の影響下にあるさまざまな材料の構造、メカニズム、および圧縮の特性に対するプロセスパラメーターの影響のより詳細な研究を目的としていることに注意できます。