柔軟なビーム整形プラットフォームにより、LPBFプロセスを最適化

November, 19, 2024, Aachen--ビーム整形への新しいアプローチにより、アディティブ・マニュファクチャリング(AM)の柔軟性と効率性がすぐに向上する。FraunhoferILTは、レーザ粉末床溶融結合(LPBF)プロセスを個別に最適化するために使用できる新しいプラットフォームを開発した。カスタマイズされたビームプロファイルは、部品の品質を向上させ、材料損失を減らし、これまで不可能だったシングルビームプロセスのビルドアップ速度のスケーリングを可能にする。

レーザ粉末床溶融結合(LPBF)におけるビーム整形が、この積層造形(AM)プロセスの効率と生産性を向上させることは、すでにいくつかの研究で見事に実証されている。FraunhoferILTレーザ技術研究所(ILT)とアーヘン工科大学光学システム技術講座(TOS)は、最大2kWの出力クラスで複雑なレーザビームプロファイルを柔軟に調査できる最先端のテストシステムの構築に協力している。これは、産業界のパートナー向けのソリューションをカスタマイズするために使用できるイノベーションである。このプラットフォームは、LPBFプロセスをより効率的かつ堅牢に工業生産に統合し、その増大する需要に対応できるように設計されている。

ガウス分布の欠点
現在、多くのLPBFプロセスでは、約300〜400Wのレーザ出力が一般的である。しかし、使用されている標準的なガウスレーザビームには、ビーム中心にパワーが集中しているため、局所的な過熱や望ましくない材料の蒸発、プロセスの不安定性が発生し、スパッタや細孔によって部品の品質が損なわれるという大きな欠点がある。これらの問題は、プロセスのスケーラビリティを大幅に制限し、LPBFシステムで利用可能なレーザ出力(多くの場合、最大1kW)をほとんどの材料に利用できないことを意味する。

「プロセスを高速化する1つの方法は、複数のレーザと光学システムを並行して使用することだ。ただし、コストは少なくとも設置されたシステムの数に比例して増加する。また、これらのシステムは実際のアプリケーションでは必ずしも均一に利用できるとは限らないため、電力の増加に比例して生産性を向上させることはできない。したがって、有望なアプローチは、シングルビームプロセスの生産性を向上させることであり、これはマルチビームシステムにも移行可能である」と、FraunhoferILTのレーザ粉末床溶融結合部門のPh.D学生、Marvin Kippelsは説明している。

ビーム整形による新たな可能性
これまでの研究では、長方形、リング状、または2つのガウス分布の組み合わせを持つ単純なビーム形状でも、部品の品質とプロセス速度の両面で有望な結果が得られることが示されている。より複雑なビーム形状の可能性は、必要なシステム技術が不足していたため、これまでほとんど探求されていなかった。しかし、FraunhoferILTの研究者が始めた包括的な調査により、この状況は変わりつつある。

「プロセスにおけるレーザビームと材料の相互作用は、そのダイナミクスのために非常に複雑であるため、シミュレーションでは実際のメルトプールの挙動を示すことしかできない」(Kippels)。
Kippelsは、現在、LCoS-SLM(Liquid Crystal on Silicon – Spatial Light Modulator)を使用する新しいタイプのシステムを立ち上げている。これにより、研究者はLPBFプロセスのほぼすべてのビームプロファイルを調査できるようになる。

最大2kWのレーザ出力を持つこの革新的なシステムは、LPBFプロセスで非常に高い出力レベルで新しいビーム形状をテストするためのプラットフォームであり、個々のLPBFタスクに適したシステム技術を特定することができる。
「われわれは、ターゲットを絞った方法でLPBFプロセスを最適化できる」とKippelsは説明している。同氏は特に、メルトトラックの形状を適応させることにより、材料の蒸発が少なく、スパッタ形成が少なく、メルトプールのダイナミクスが減少し、メルトトラック表面が滑らかになり、プロセス効率が向上することに言及している。

特定の要件に対応する柔軟なビームプロファイル
現在、システム技術は、リングやシルクハットプロファイルなどの特定のビーム形状を生成できると宣伝されることがよくある。しかし、これらのビーム形状の選択は、基礎となるプロセスメカニズムの深い理解に基づいているわけではなく、それはこのテーマに関する時に矛盾する文献に反映されている。プロセスを基本的に理解することによってのみ、特定のメルトトラック形状など、定義された目標を達成する調整を具体的に定義することができる。

つまり、ビーム形状をアプリケーションに合わせて開発し、最適化する必要があり、LCoS-SLM技術を必要とせずに、理想的には企業に実装することができる。この研究プラットフォームにより、FraunhoferILTの産業界の顧客とプロジェクトパートナーは、レーザビームツールの研究においてこれまでにない柔軟性の恩恵を受けることができる。

「われわれは、まだ始まったばかりだが、ビーム整形がLPBFプロセスにもたらす大きな可能性をすでに見ている。完璧なビーム形状は1つではない。すべてのアプリケーションには独自の要件がある。われわれの柔軟なビームシェーピングにより、各プロセスに最適な分布、つまり問題のタスクに最適なプロセスパラメータを見つけることができる」とMarvin Kippelsは話している。
この目標を達成するために、アーヘン研究所のいくつかの部門がKippelsと同氏のチームの研究を支援している。