レーザー金属堆積

レーザー金属堆積法（LMD）は、原料（通常は粉末）をレーザーで溶かして基板上に堆積させる積層造形法です。 ^{[1]原料としては、さまざまな純金属や合金のほか、}金属マトリックス複合材などの複合材料を使用できます。^{[2] [3]}さまざまな強度、波長、光学構成のレーザー光源を使用できます。LMDは通常、溶融ベースのプロセスですが、後述するように、これは必須ではありません。溶融ベースのプロセスでは、完全な冶金的融合が達成されるため、通常、強度上の利点があります。

同義語には、レーザー粉末成形や独自のレーザーエンジニアリングネットシェーピングなどがあり、これらは、集中した高出力レーザービームによって作成された溶融池に注入された金属粉末を使用して、コンピューター支援設計(CAD) ソリッドモデルから直接金属部品を製造するために開発された付加製造技術です。このプロセスでは、正確な仕様に合わせてアイテムを作成できない場合に、「ほぼ」ネットシェイプの部品を作成することもできます。これらの場合、最終コンプライアンスを達成するために、軽加工、表面仕上げ、または熱処理などのポストプロダクションプロセスを適用できます。その他の商標登録された技術には、直接金属堆積(DMD) とレーザーコンソリデーション (LC) があります。選択的レーザー溶融(SLM)などの粉末ベッドを使用するプロセスと比較して、この技術で作成されたオブジェクトは大幅に大きくなり、最大で数フィートの長さになることもあります。^[4]

選択的レーザー溶融と同様に、レーザーエネルギーが十分に集中している限り、レーザー出力は特に高くする必要はありません。達成可能な材料添加率は、適用されるレーザー出力の量と、原料および基板材料の融解熱の両方に依存します。異なる材料は異なる波長の光を吸収するため、材料が吸収するエネルギーの量が最大になるように、レーザー光源の波長を材料の吸収スペクトルに適切に一致させることが重要です。たとえば、LMDを使用して鋼を堆積させるには、IRレーザー光源を使用すると効率的に実行されますが、銅ベースの合金の場合は緑色レーザーの方が吸収率が高くなります。^[5]

いくつかの異なる LMD プロセスが存在し、原料とレーザー エネルギーは異なる方法と異なる場所で供給されます。

最も単純な LMD 技術は、粉末をあらかじめ配置するものです。粉末原料を表面または基板上に配置し、焦点を絞ったレーザーをその上をスキャンまたはラスター処理して、原料を溶かして基板と融合させます。通常、不活性シールド ガスを使用して、溶融ゾーン周辺の酸化を抑えます。このプロセスは、粉末層内で選択的レーザー融合によってオブジェクトを構築する、体系的な層ごとのプロセスを伴う選択的レーザー溶融に似ています。

従来の粉末供給 LMD では、1 つまたは複数の粉末ノズルが、集束レーザー光源とともに使用されます。レーザーは基板に集束され、溶融池を形成します。同時に、粉末はノズルから粉末ジェット プルームとして噴射され、材料を溶融池に導き、そこで溶融します。レーザー光源が離れると、溶融池もそれに従い、以前の位置にあった材料が固まります。このプロセスは通常、レーザー クラッディング ヘッドを使用して実現されます。レーザー クラッディング ヘッドは、粉末ノズルとレーザー光学系を 1 つのアセンブリに統合し、両方を 1 つのターゲット位置に集束させます。溶融池と粉末プルームのサイズと領域は大きく異なる場合があり、ターゲット アプリケーションに応じて、スポット構成またはライン構成になる場合があります。粉末配置 LMD に関しては、通常、酸化を最小限に抑えるためにシールド ガスが使用されます。粉末を供給するために使用されるキャリア ガスも、通常シールド ガスです。 LMDプロセスは、広い表面をスキャンして薄い（ < 1 mm）コーティングを構築する（通常、レーザークラッディング^{[6] [7]}と呼ばれる）か、特定の領域をラスタースキャンして3Dのオブジェクトを層ごとに構築する付加製造プロセス（指向性エネルギー堆積と呼ばれることもある）など、さまざまな方法で使用できます。

高速LMD（EHLA ^[8]とも呼ばれる）は、レーザーの焦点とクラッディングプロセスの速度が従来のLMDと異なります。高速LMDの場合、焦点は基板の上にあります。^{[9] [10]}粉末が焦点を通して噴霧されると、レーザーエネルギーの大部分は粉末に吸収され、粉末は飛行中に溶融します。その結果、溶融した粉末原料が基板に衝突し、熱が粉末から基板に伝達されます。これにより、通常、基板に伝達される熱エネルギーの割合が低くなり、その結果、高速LMDでは、従来のLMDと比較して、希釈度が低く、熱影響部が薄い、より薄い溶接ビード堆積物（通常、1パスあたり< 0.5 mm ^[11]）が生成されます。^[12]堆積速度（基板表面の溶融位置の速度）は通常、従来のLMDの速度の少なくとも10倍高く、材料の凝固速度も速くなります。^[5]従来のLMDと比較したこれらの違いの典型的な効果は、より滑らかな表面仕上げ、より細かい粒子の微細構造、^[13]耐食性の向上、^[14]および硬度の向上です。^[15]高速LMDを使用すれば、2Dコーティングと3D積層造形の両方も可能です。^[16]

溶接プロセスと同様に、LMDは金属線を原料として使用して実行できます。^{[1] [2]これは、}原料粉末を製造するために必要なコストと労力を回避できるという利点があります。

超音速LMDは、レーザーを材料の溶融に使用しないという点で他のLMDプロセスとは異なります。代わりに、これは主に改良されたコールドスプレープロセスであり、粉末の超音速ジェットプルームを介して堆積する固体堆積プロセスの一種です。超音速LMDでは、レーザーを使用して基板と粉末ストリームを予熱し、これらの材料を柔らかくします。^[17]溶融を避け、より低い温度で動作することで、原料と基板材料の酸化が発生する可能性が低くなります。^[18]

• 選択的レーザー溶融
• レーザービーム溶接
• レーザー切断
• 付加製造

• サンディア国立研究所のLENS記事。