粉末供給式金属3Dプリントと呼ばれる LDMは、粉末供給装置を使用して金属粉末をレーザー溶融プールに輸送し、レーザーの放射を利用して粉末を溶融および再凝縮し、金属部品を直接製造するプロセスです。製品の成形サイズが大きく、処理が速く、複雑な部品のグラデーション印刷を実現できるなどの利点があります。同時に、部品の品質管理が難しく、部品の外観が粗いなどの欠点もあります。この記事では、粉末供給金属3Dプリントの技術状況をまとめ、今後の発展方向を分析します。

1 一般的な金属3Dプリントプロセスの比較

金属3Dプリントでは、一般的にアークワイヤプリント（略して ワム）、粉末供給印刷（LDMと略記）および粉末配置印刷（SLMそれぞれの特性と適切な用途の簡単な比較を表1に示します。

上表からわかるように、粉末供給印刷には、複数の材料を混合してグラデーション印刷を完成できる、軽量化が求められる大型部品や内部流路構造に対応できるなど、独自の利点があり、現在では代替不可能な存在となっています。

2 粉末供給式3Dプリンタの技術的課題とその対策

2.1 粉末供給式3Dプリントの技術的課題の分析

粉末供給式 3D 印刷では、処理中に、レーザー スポットと粉末供給ノズルがモーション メカニズムの駆動によって同期して移動します。スポットが移動する場所に溶融池が形成され、同時に粉末が溶融池に落ちて積層印刷されたワークピースが形成されます。プロセス パラメータが決定された後の印刷プロセスでは、特別な注意が必要な問題がいくつかあります。

印刷は多くの場合、基板上で行われますが、基板は最初は冷たい状態です。印刷を一定期間続けると、基板と新しく印刷されたワークピースは一定の温度になります。冷たい基板は必然的に大量の熱を急速に吸収し、初期処理中に溶融池の温度が低くなります。これが基板付近で品質問題を引き起こす主な要因です。

動作機構は直線動作では均一ですが、曲がり角やコーナーでは均一ではありません。時間が経つにつれて、曲がり角やコーナーに印刷の膨らみが形成され、それに応じて直線印刷部分にはくびれが形成されます。

ワークピース表面の高低差により、粉末供給ノズルがワークピース表面に近づいたり遠ざかったりします。溶融池の光反射により、粉末は溶融し、粉末供給ノズルで再凝縮して凝集体を形成します。凝集体が溶融池に落ちると、ワークピースの表面に個々の突起が発生し、そこに気孔が形成されやすくなります。ノズルに凝集体が長時間存在すると、ノズルが詰まりやすくなり、粉末供給パラメータが受動的に変化します。

ワーク表面の凹凸により、ワーク表面におけるレーザーの集光状態が変化し、レーザーのワーク表面への効果に影響を及ぼし、ワーク加工中にレーザー出力密度が変化する原因となります。

ワークピースの表面状態が不良であることによるプロセスパラメータの受動的な変化は、ワークピースの亀裂の主な要因です。

したがって、プロセスパラメータ設定が合理的である条件下では、3Dプリント中の不十分な粉末供給プロセスと不均一なスポット移動速度が、ワークピースの欠陥を引き起こす主な重要な要素です。光点の移動速度は機械構造の動的応答特性によって制限され、完全に理想的な状態を実現することは不可能です。粉末供給ノズルでの凝集体の形成、凝集体の脱落、粉末供給ノズルの詰まりも、特定のルールのない偶発的な現象です。これらの点はどちらも直接対処するのが困難です。

2.2 粉末供給3Dプリントの難しさに対する対策

現在のエンジニアリング アプリケーションでは、溶融池の温度や形態を監視し、レーザー出力の閉ループ制御を実行するために、デュアル比色温度センサーまたは溶融池検出カメラがよく使用されます。これは、基板の冷たい状態が溶融池に与える影響を相殺するのに役立ちます。

2.1 の分析から、基板温度を考慮せずに、光点移動速度の安定性と粉末供給状態の受動的な変化が溶融池に影響を及ぼし、品質欠陥を引き起こすことがわかります。光点移動速度と粉末供給状態のパラメータの受動的な変化は、エンジニアリングの実践では直接管理することが難しいため、溶融池の状態を監視し、それに応じて他のプロセスパラメータを制御することで、溶融池を有益な方向に調整することもできます。

コーナー部分では光点の移動速度が遅くなり、レーザーがワークピース表面に作用する時間が長くなるため、溶融池の温度もそれに応じて上昇します。対照的に、直線部分では、溶融池の温度はコーナー部分よりもわずかに低くなります。

ワーク表面が崩壊している場合、光点が崩壊領域を通過すると、集光レンズを通過した後のレーザーの収束点がワーク表面より上にあるため、レーザーエネルギーは溶融池で分散され、溶融池の温度も低くなります。

以上の分析に基づき、溶融池温度の検出を例にとると、新たな制御戦略を導き出すことができます。溶融池温度を監視することにより、基板の最初の数層が冷たいときに、溶融池温度監視を入力として使用してレーザー出力の閉ループ制御を実行し、基板の冷たい状態が溶融池に与える影響を相殺します。基板温度が熱い状態に入った後、溶融池温度が低すぎることが検出された場合は、光点が崩壊領域を通過していることを意味します。目標温度と理想温度の偏差に応じて、一定の規則に従って移動速度比を下げるように装置を制御し、ワークピース表面でのレーザー作用時間と粉末の落下時間を延長して、崩壊領域を自動的に埋めることができます。

実際、溶融池は沸騰水のように静止しているわけではありません。レーザーの影響を受けて、底部の溶融金属は上向きに転がり続けます。底から巻き上がる溶融金属の温度は、表面の元の溶融金属温度よりも低くなければなりません。これにより、溶融池の温度測定に一定の偏差が生じます。また、カメラを使用して溶融池の形態を監視する場合、溶融池の転がりや波紋、および粉末供給ガスとシールドガスの溶融池への吹き付け効果により、溶融池の表面形態も不安定になります。したがって、制御アルゴリズムを設計するときは、測定偏差が閉ループ制御に悪影響を及ぼさないように、フィルタリングと平均化に注意する必要があります。

3 粉末供給3Dプリントの産業的展望

現在、ワイヤアークフィーディング印刷（WAAM）は、その高速性と一部の部品の性能が従来の鋳造を上回っているため、急速に発展しています。SLMは、部品が細かく、内部構造要件のあるワークピースの軽量化が著しく、プロセスパラメータが決定された後は生産プロセスにほとんど手作業が関与しないため、急速に拡大しています。一方、粉末フィーディング印刷（LDM）は、処理プロセスに手作業の介入が多く必要であり、生産速度が特に優れているわけではないため、徐々に淘汰されています。しかし、粉末フィーディング印刷はかけがえのないものであり、印刷コンポーネントが変化するグラデーション機能部品や特殊コンポーネントを備えた大型構造部品は、粉末フィーディング印刷でしか完成できません。また、部品の組成をいつでも調整できる粉末フィーディング印刷の特徴は、新材料開発用の高スループット材料試験装置を開発することができ、国内の材料科学の発展に大きな意義を持っています。そのため、粉末フィーディング印刷（LDM）には特定の開発空間と必要性があります。

表3に挙げた1つの3D印刷プロセスを比較すると、粉末供給3D印刷（LDM）はワイヤアーク印刷（WAAM）に比べて処理速度が劣り、積層粉末3D印刷（SLM）に比べて部品精度が劣ることがわかります。粉末供給3D印刷の処理速度は大規模な改善が難しいですが、部品精度を改善することで、粉末供給3D印刷（LDM）の応用シナリオは急速に拡大します。粉末供給3D印刷と従来のフライス加工および切削を組み合わせ、マルチステーションの付加的および減算的統合装置を設計および製造し、付加的印刷と減算的製造の交互実行を実現します。3つのステーションで粉末供給3D印刷またはフライス加工および切削を行っている間に、他のステーションは印刷されたワークピースを冷却してフライス加工および切削を待機するために使用されます。XNUMX組の付加的および減算的装置を使用して複数の部品に対して付加的印刷とフライス加工および切削を交互に実行することで、生産効率が大幅に低下することなく、製品部品の精度を向上させることができます。これにより、粉末積層型 XNUMXD プリント (SLM) に対して圧倒的な優位性が得られ、粉末供給型 XNUMXD プリント (LDM) の応用シナリオが大幅に拡大します。

粉末供給3Dプリントとフライス加工および切削加工の統合は難しい点です。付加的および減算的プロセスにおける製品の空間位置決めと座標変換の問題を解決する必要があります。これには、軌道計画ソフトウェア開発の発展と革新が必要です。また、付加的と減算的プロセスの組み合わせの問題を解決する必要もあります。たとえば、フライス加工と切削加工のプロセスでは切削液を使用できません。そうしないと、残留切削液が次の印刷プロセスで部品の構成に影響を与えます。

4 結論

粉末供給3Dプリント 印刷速度が速く、基本的に部品サイズに制限がなく、グラデーション印刷などの利点があり、 3D印刷粉末供給3Dプリントの溶融池制御技術と加法・減法材料技術を重点的に研究することで、粉末供給3Dプリントの工程人員への依存度を軽減し、粉末供給3Dプリントの応用シナリオを効果的に拡大し、広範な社会的利益をもたらすことができます。