Princeton：デュアルレーザーシステムは、定期的な溶接プールの合併を作成するためにSLM製造で使用されます

複数のレーザービームの製造において、2つの相互作用する平行な溶融池間の相互作用の問題は十分に解決されていません。 プリンストン大学の研究者は、金属SLM製造に並列化された複数のレーザービームを使用しました。 ここで、2つのレーザービームは、並行してスキャンすることによって得られた溶融プールをスキャンし、2つの溶融プールは小さな空間オフセットを持っています。 異なる空間オフセットを使用して、実験結果は、完全なマージと完全な分離に加えて、2つの溶融プールで周期的なマージを生成する新しい領域もここにあることを示しています。

結果の簡単な紹介：

従来の金属粉末床レーザー積層造形（SLM）は、現在、製造速度と製造能力が低いため、印刷スケールが限られているという技術的課題に直面しています。プリンストン大学の研究者とその共同研究者は、このジレンマを解決しました。彼らが採用したアプローチの1つは、処理の柔軟性を高めるために複数のレーザービームを並列化することでした。最近の研究では、2つ以上のレーザービームをSLM印刷に使用すると、最終製品の機械的特性が向上することが示されています。しかし、溶融池の隣接する問題とそれらの相互作用メカニズム、特に2つの相互作用する並列溶融池間の相互作用の問題を含む、解決する必要のあるいくつかの障害がまだ十分に解決されていません。ここで、2つのレーザービームは、並行してスキャンすることによって得られた溶融プールをスキャンし、2つの溶融プールは小さな空間オフセットを持っています。異なる空間オフセットを使用して、実験結果は、完全なマージと完全な分離に加えて、2つの溶融プールで周期的なマージを生成する新しい領域もここにあることを示しています。高速画像の結果は、この合併のさまざまなメカニズムを示しています。これは、私たちが気付いた、頭と頭と頭と尾の融合です。レーザー出力や空間オフセットなどのパラメーターを変更することにより、異なる波長の周期構造を、デュアルレーザービームを使用するエンジニアリングアプリケーションで使用できます。



結果のグラフィカルな要約

背景紹介：

アディティブマニュファクチャリングテクノロジー（AM）は、3D印刷およびラピッドプロトタイピングテクノロジーとも呼ばれ、レイヤーごとのスタッキングを通じて3Dオブジェクトの蓄積を実現する方法です。現在、金属印刷技術は製造が容易で経済的に製造されているため、金属AM技術は航空宇宙、自動車、その他多くの産業で広く使用されています。レーザーベースの粉末床印刷（SLM）技術は、金属AM技術で最も一般的な技術です。従来のSLM技術では、ガウスレーザービームをエネルギー源として使用して粉末を溶融し、最終製品を製造します。ただし、製造速度の低下やその他の技術的課題により、SLMテクノロジーの市場シェアを拡大することはできませんでした。



図1.この作業におけるデュアルレーザービーム実験装置の概略図

現在のSLM技術が直面している課題を解決する方法についての研究があります。たとえば、処理に複数のレーザービームまたはカスタマイズされたレーザービームを使用する可能性を調査するために、多くの研究が使用されてきました。数値シミュレーション技術を使用して、楕円ガウスエネルギーなどのどのタイプのエネルギー分布形状がその微細構造と機械的特性に影響を与えるかを説明します。レーザー溶接では、回折光学素子（DOE）を介した新しいレーザービームプロファイルにより、溶接プールを適切に制御し、表面粗さを向上させることができます。同時に、製造効率が低いという問題を解決するために、最近の研究では、処理効率を改善するために複数のビームを使用することに焦点が当てられています。レニショーはかつて、同時印刷用に4つの独立して制御されるレーザー光源をAM機器に導入しました。 Hongらは、この独自のレニショー装置を処理に使用し、単一のレーザービームで製品の性能を比較しました。 Zhang et al。は、印刷にマルチビームデバイスを使用して、同様の作業を実装しました。 Slodczyk et al。は、溶融池の安定性を維持しながら溶融速度を上げるために、回折光学素子によって形成されたレーザービームの長方形の配置を実証しました。 Sundqvist et al。はまた、温度場の空間的および瞬間的なビーム分布の分析を使用して、マルチビーム溶接の温度プロファイルを迅速に予測するのに役立てました。さらに、ツァイらは、回折光学素子の機能を統合するために、3ビームSLMシステムを構築しました。その結果、動作時間が短くなり、表面粗さが増加します。

明らかに、SLM技術の幅広いアプリケーションを実現し、SLM機器の製造の柔軟性を向上させるためには、並列マルチビームの使用が解決策です。以前の研究では、SLM製造に2つのレーザービームを使用したという報告があります。これら2つのビームによって作成された溶融池は、高い製造速度で完全に分離されるか、2つの溶融池が完全に統合されます。後者の場合、光ビームは、温度勾配を低減し、製造された製品の機械的特性を改善するための予熱または加熱光源として使用されます。これら2つの状況の間にはギャップがある、つまり、2つの溶融プールの完全な合併と完全な分離の条件下での移行状況があると私たちは信じています。例えば、平行ビームの分解能の限界は現時点では明らかではありません。同時に、単一ビームの巨視的構造とトポグラフィーに関する研究はありますが、SLM製造中の平行ビームの巨視的構造と重要な問題は研究されていません。



図2.スキャンピッチと垂直オフセットを定義する概略図

上記の問題を理解するために、プリンストン大学の研究者とその共同研究者は、SLM製造のエネルギー源として2つの同一の並列走査レーザーを使用しました。 2つの溶融プールの溶融チャネルを非常に近くに配置することにより、溶融プールがマージされたときの相互作用を調べました。これを行うことにより、2つの溶融プールの解像度が確立されます。同時に、完全な合併から完全な溶融池の分離への移行を理解することができます。



図3.垂直オフセットが固定されていることを確認しながらスキャンピッチを変更する

2つの溶融プール間の横方向の空間オフセットに加えて、2つのレーザービーム間に瞬間的なオフセットを課すため、オンラインの空間オフセットを効果的に生成できます。この瞬間的なオフセットの導入により、2つの近接した溶融プールが広範囲のパラメーター内でどのように相互作用するかをさらに研究することができます。間隔を見つけました。この間隔の周期構造は、この異なるテストのレーザー出力の特定の空間でシフトします。さらに、特定の領域の空間オフセットにより、周期構造の波長が変化します。

実験方法：

図1は、この研究で使用したデュアルレーザー実験装置を示しています。このデバイスでは、波長1070nmの2つのレーザーとガウス分布のレーザービームがレーザー光源として連続モードで動作します。レーザービームは、集束ミラーによって狭められた後、3Dスキャニングシステムを通過します。スキャニングシステムは、ビームエキスパンダー、2Dスキャニングガルバノメーター、F-θミラーで構成されています。各スキャンシステムのスキャン範囲は178mm×178mmです。この2枚のスキャニングミラーを並置することで、オーバーラップ率を採用した面積は20mm×178mmになります。レーザービームと走査検流計の制御は、PCコンピューターによって制御されます。パルス発生器は、2つのレーザー間の遅延を実現し、それによって2つのレーザービーム間に小さな空間オフセットを作成するために、点火遅延時間を制御するために使用されます。ただし、このパルスジェネレータは、レーザービームが切り替えられた場合にのみ機能します。レーザーが励起されると、それらは連続モードのレーザーを連続的に放出します。



図4.スキャンピッチを固定したまま垂直オフセットを変更した結果



図5.レーザー出力でのプロセス図の結果：（a）60 W、（b）80 W、および（c）100 W



▲図6.（a）-（c）は、ヘッドツーヘッドマージ中の溶融池の相互作用を概略的に示しています。（d）は、ヘッドテールマージ中の溶融プールの溶融チャネルを概略的に示しています。

主な結論

研究の結果、私たちが到達した主な結論は、SLM実験用に2つの同一のレーザービームを配置するために、スキャン距離と垂直平行偏析量の2つのパラメーターを導入することです。完全な合併と完全な分離には2つの段階があることがわかりました。この移行段階は周期的な構造の存在につながり、単一のレーザービームで従来のSLMを製造することを困難にします。特定のレーザー出力に対して、周期構造は特定のスキャンピッチと垂直オフセットでのみ表示されます。一般的に言えば、周期的な構造を得るためには、パワーが増加するにつれてスキャンピッチと垂直オフセットを増加させる必要があります。

周期的な波長と形成メカニズムを研究したところ、頭と頭と頭と尾の融合という2つの状況があることが明らかになりました。垂直オフセットが2つのレーザーによって生成された溶融池の長さの半分未満の場合、直接のマージ状況が発生します。ヘッドとテールのマージは、垂直オフセットが比較的大きい場合に発生します。一般的に言えば、頭から頭への状況の波長は、垂直オフセットの増加とともに減少し、波長は、頭から尾への状況における垂直オフセットの増加とともに直線的に増加する。同時に、溶融池の長さを使用して垂直オフセットと波長を標準化することにより、研究者は、ルートが垂直オフセットと反対である場合、波長が生成されるときに異なるレーザー出力が単一モードに分類されることを発見しました。 。

次の研究では、研究者は、2つのレーザービームを使用して得られた周期構造の処理技術をさらに調査します。 たとえば、より高いスキャン速度とより高いレーザー出力で得られた長い溶融池は、この結論を再び有効にするために有益である可能性があります。 このデュアルレーザービームの設定により、従来の積層造形でのデュアルレーザービームの使用が容易になり、高速製造が実現し、より良い表面粗さの結果が得られる可能性があります。 同時に、この新しいテクノロジーを使用して組織を改善する方法を分析します。 この方法で異なるエネルギー分布が生成されると、その後の溶融プールは従来のSLMとは異なると考えられます。 結果として得られる微細構造（粒子サイズ、粒子配向、可能な細孔分布など）は、従来のSLMとは異なります。 このような状況では、この方法は特定の微細構造を取得し、最終的な局所材料特性に影響を与えます。