大面積パルスレーザー粉末床溶融、Seurat金属3D印刷の背後にある技術への洞察

3Dサイエンスバレーの以前の共有によると、2021年7月、LLNL国立研究所によって設立された会社であるSeurat Technologiesは、山羊座基金が主導する4,100万米ドルのシリーズB資金調達を完了しました。 以前の1350万Aラウンドの資金調達と合わせて、Seurat Technologyは合計5450万米ドル（約3億4000万元）を調達しました。

3Dサイエンスバレーの理解によると、Seuratは製造コストをさらに削減することで、より大きな市場に参入しています。スーラの第1世代の機械を使用すると、約300米ドル/ kgの製造コストを達成でき、市場規模は2倍になる可能性があります。 2024年にスーラが立ち上げた第2世代システムと、2027年と2030年のフォローアップシステムは、ゲームのルールを真に変えることが期待されています。 SeuratのGenXは、製造コストを25米ドル/ kg未満に削減し、それによってより大きな金属製造市場を開拓します。
会社の名前は、印象派（点描派）の創設者であるジョルジュ・スーラに由来しています。スーラの背後にある技術は、点描の塗装方法とどのように関連していますか？ 3DサイエンスバレーをScienceDirectの「大面積パルスレーザー粉末床融合の物理学」論文と組み合わせて、このテクノロジーの原理についての洞察を得ました。
シンプルなアイデアが新しい探検スペースを開きます
金属積層造形（AM）は、多くの産業で製品の付加価値製造能力を高める大きな可能性を秘めています。積層造形は、サブトラクティブ技術では部品として製造できない幾何学的形状を生成し、製造で発生する廃棄物の量を減らすことができます。プロセス、それによってコストを削減します。それにもかかわらず、現在のプロセス速度の制限により、金属積層造形はまだ大量生産で大きな市場シェアを獲得しておらず、これは達成可能な1個あたりの生産価格に大きく影響します。
部品の製造速度は、材料が溶融して下にある部品に固化する速度によって制限されます。典型的なレーザー粉末床溶融（LPBF）プロセスでは、部品はレーザースキャンの連続方式で構築され、レーザーによってスキャンされて固化した材料のラインが作成され、複数のラインが繰り返されて層が作成されます。金属の生成速度は、材料が溶融して下にある基板に融合する速度によって制限されます。複数の熱[レーザー]ソースとより多くのレーザー出力により、ビルド速度が向上しますが、制御上の課題が追加されます。さらに、複数のレーザーを整列させて均等に利用することは容易ではありません。
もう1つの金属AM積層造形プロセスは、電子ビーム溶解（EBM）です。これは、大面積の熱源をシミュレートするのに十分な速度で電子ビームをラスタライズします。ただし、EBMは真空中で操作する必要があり、比較的粗い粉末を予備焼結する必要があります。レーザー加工と比較すると、これらの要因により、表面が粗くなり、最小フィーチャサイズが大きくなります。
Seuratが使用するLABPF-大面積パルスレーザー粉末床溶融技術の原理は、主に単純な考えに基づいています。金属粉末の溶融と凝固が連続プロセスから並列プロセスに進化する場合、粉末床添加剤の構築速度製造が可能かもしれません。大幅にスピードアップします。
この作業では、316Lステンレス鋼の大面積パルスレーザー粉末床溶融（LAPBF）の物理的特性を、高速イメージングと忠実度の高い物理シミュレーションによって研究しました。ただし、速度と精度は通常矛盾しています。大面積のレーザーパルスは金属粉末をすばやく溶融できますが、急速な溶融によって生じた溶融粒子はすぐに合体して大きな液滴になります。
では、これらの間でどのようにバランスを取るのでしょうか？ 「大面積パルスレーザー粉末床溶融の物理学」の論文で使用されているレーザーおよび金属粉末のパラメーターの場合、層の厚さが40 µmを超えると、基板表面に添加剤が不均一に分布し、多孔性が増加します。シミュレーションでは、下にある基板上の粉末粒子を覆い、過剰なレーザーエネルギーが基板に堆積するのを防ぐことで、ピットフィーチャを生成できることが示されています（ピットフィーチャは細孔を引き起こす可能性があります）。
シミュレーションでは、これらのレーザーと粉末のパラメーターについて、より薄い粉末層を使用すると、影が減少し、レーザーパルスが基板を効果的に加熱できるため、欠陥の形成が減少することが示されています。この変更の実装は、シミュレーションで99.5％を超える密度の部品を取得することが最終的に証明され、316Lステンレス鋼の印刷では、99.8％を超える密度の部品を取得することが実験によって証明されました。
さらに、LABPF-大面積パルスレーザー粉末床溶融プロセス中にスプラッシュはほとんど観察されません。これは、レーザー粉末床溶融をより大きなバッチの部品に拡大する際の既知の障害です。これは、LAPBF-大面積パルスレーザー粉末床溶融により、重要な用途に適した高品質の材料を製造でき、大量生産に拡張できる可能性があることを示しています。
パルスレーザー粉末床の欠陥シミュレーション実験
30000mw高出力レーザー
/ 1はじめに
LABPF-大面積パルスレーザー粉末床溶融プロセスは、2013年にローレンスリバモア国立研究所で最初に発明されました。この技術の基本原理は、ビルドプレート上に粉末の層を広げ、高出力レーザーを使用してそれを溶融する従来のLPBFに基づいています。
このプロセスにおける同様に重要な違いは、高解像度でレーザーをパターン化するために光学的にアドレス指定されたライトバルブ（OALV）を使用することです。 OALVは、必要な領域のみを層ごとに溶融して3次元部品を製造できますが、レーザーは金属粉末を溶融するための溶融エネルギーを提供します。この方法は、他の市販のオプションとは異なり、印刷されたパーツの解像度を失うことなく、高いビルドレートに拡張できる可能性があるため、重要な商業上の利点があります。たとえば、現在の小さなデモンストレーションエリアの印刷システムは、40Hzで5×5mmの正方形のタイルを溶かすことができ、層の厚さは25 µm、総ビルドレートは90 cm3 / hです。 EOS M290と同様の業界標準のマシンと比較すると、EOS M290は、同等の層厚（20 µm）で7.2 cm3 / hの速度で316Lを生成します。


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これらの進歩にもかかわらず、LABPF-大面積パルスレーザー粉末床溶融プロセスは依然として多くの課題に直面しています。最も重要なことは、高品質の部品の完全な密度を達成するためにプロセスパラメータを最適化することは、AM積層造形プロセスにおいて不可欠です。
LAPBF印刷法は比較的新しいため、大面積の粉末を同時に溶融する物理的原理についてはほとんど知られていません。 LLNLは、忠実度の高いシミュレーションと高速イメージングを使用して、プロセスと欠陥を軽減する方法について詳しく学びます。
まず、LAPBFとLPBFの類似点と相違点を理解する必要があります。 LPBFレーザー粉末床溶融プロセスでは、レーザーと粉末、基板、および蒸気との相互作用が非常に重要です。レーザーの吸収率は、粉末の特性と鍵穴の外観によって変化します。鍵穴、同伴粒子、および噴霧された液体は、欠陥を引き起こす可能性があります。 LPBFプロセスは、LAPBFと同様の物理的効果をもたらす可能性がありますが、溶融粒子間の大規模な集合的相互作用にはつながりません。これが2つのプロセスの違いです。
次に、研究者は、このプロセスでどの効果が重要であるか、これらの効果が従来のLPBFと比較してどのように変化したか、どの効果が有害であるか、およびこれらの効果を回避する方法を理解する必要があります。
/ 2メソッド
以前の研究に基づいて、同様の実験装置を使用して、研究者はOALVを介して「タイル」と呼ばれる偏光切り替えパターンを作成し、それを粉末床に投影しました（3Dサイエンスバレーの理解によると、これは絵画に非常に「似ています」印象派（点描）のスーラの方法。
実験では、研究者は単一のNd：YAG（1064 nm）パルスを使用して、最終的に金属粉末を溶かし、各印刷された「タイル」を作成しました。実験装置は、OALVを介して照明領域の形状を変更して任意の幾何学的形状を実現できますが、この作業では、簡単にするために、均一な強度（2mm×2mm）の正方形領域（正方形タイル）を使用します。サイズ分布が異なる2つのステンレス鋼316L粉末が使用され、15〜32 µm（27 µm）および45〜63 µm（54 µm）カットされ、ここではそれぞれ27 µmおよび54 µm粉末と呼ばれ、サイズ分布を示します。 。





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LAPBFプロセスが熱的に駆動されることを考えると、モデルが満たさなければならない要件は、エネルギーバランスと液体浴との結合を適切に考慮することです。これは、オールレーザーレイトレーシングを使用することで実現されます。この機能がない場合は、一定の材料吸収率を指定して、堆積したレーザーエネルギーを較正する必要があります。現在のシミュレーションモデルを使用した研究では、吸収率は溶融池の深さ、レーザー出力、スキャン速度によって変化することが示されています。つまり、堆積のエネルギー密度はこれらのプロセスパラメーターの関数です。
安定した溶融池の状態をシミュレートする場合、一定の吸収率は許容できる仮定ですが、一時的な影響には適していません。
低出力では、レーザー光線が粉末粒子間で複数回反射されるため、吸収率は裸の表面の吸収率よりも高くなり、レーザーエネルギーはシステムによりよく結合されます。ピンホール状態に近い高出力では、吸収率が粉末のないシステムに非常に近くなるため、粉末の重要性は低くなります。言い換えれば、レーザー光線は主に流体表面と相互作用します。ガス流がレーザーと材料のエネルギー結合を捕捉する原因となる金属蒸発をモデル化する必要はありません。
ただし、蒸気反跳圧力の影響は、液面を変形させ、溶融池の形状に影響を与える境界条件と考えられます。液体の溶融流は、表面張力によって駆動されるマランゴニ効果とともに考慮されます。これについては、表面形態の変化をシミュレートするときに説明します。
つまり、LLNLの科学者は、シミュレーションを通じて、溶融池のサイズ、ピンホール欠陥の生成と軽減、液体スプラッシュ効果、レーザー吸収率などの特性をシミュレーションを通じて予測することができました。各実験のモデルを較正する/シミュレーションは柔軟性を示しています。ここで、科学者はこのコードの多様性を使用して、ほぼ全密度の印刷を実現するための最良のプロセスパラメータを予測します。