ビームシェーピングによる積層造形の新時代へ

2025年4月15日 | 読了時間：5分

金属積層造形（AM）業界は新たな段階を迎えようとしています。そこでは、生産性や効率の向上が、従来のガウスビームプロファイルによる制約を受けなくなるでしょう。その代わりに、nLIGHT社のAFX®レーザー技術によるダイナミックビームシェーピング技術が、従来の限界を打ち破り、可能性の枠組みを再定義することになるでしょう。

EOSおよびAMCMの金属ソリューションを採用しているAMメーカーにとって、この革新は単なる技術的な改良にとどまらず、競争上の優位性をもたらします。ビームシェーピングにより、生産性の向上、プロセスの安定性の向上、そして対応可能な材料の幅が広がります。では、その仕組みとはどのようなもので、なぜ重要なのでしょうか？詳しく見ていきましょう。

ビーム成形の革命：単なるレーザーの増加以上のもの

業界では長年、AMシステムにおけるレーザー数の増加によって生産性の向上を追求してきた。これにより製造速度は向上するものの、運用コストと保守の複雑さも増大する。しかしビームシェーピング技術は代替手段を提供し、所有コストを増加させることなくレーザー効率を高め、プロセスウィンドウを拡大する。

EOSでは、nLIGHT AFX®レーザーを搭載した「EOS Metal Solutions」を活用し、この課題に取り組んでいます。これにより、以下のことが可能になります：

部品品質を損なうことなく、最大2倍の高速ビルドを実現。7種類の切り替え可能なビームプロファイルにより、より高いスループットを可能にします。
比類のないレーザーの柔軟性を実現し、スポットサイズは約85µmのガウスプロファイルから最大250µmのリングプロファイルまで調整可能。これによりエネルギー分布を精密に制御できます。

EOSは、単にレーザーの数を増やすことよりも、レーザーのより賢い活用に注力しています。具体的には、熱をより均一に分散させることで溶融プールを安定させ、スパッタを低減し、材料の加工性を向上させています。この適応型のアプローチにより、製造業者は一貫性と品質を維持しながら生産性を拡大することが可能となり、これは航空宇宙、防衛、および産業用金型用途において極めて重要な要素となっています。

金属積層造形におけるビームシェーピングの主な利点

品質を損なわずに生産性を向上： ビーム成形技術が生産性の大幅な向上をもたらすことが研究で 実証されています。インコネル718の加工ではガウスビームと比較して積層速度が23％向上し、316Lステンレス鋼の加工ではハッチ間隔の拡大と走査速度の向上により処理速度が2倍に加速されました。
プロセス安定性の向上とスパッタの低減： 粉末床溶融レーザービーム（PBF-LB）積層造形における最大の課題の一つは 、粉末床を汚染しフィルターの寿命を縮めるスパッタの発生である。フラウンホーファーIAPT研究所の研究では、リング状のビームプロファイルを使用することで煤とスパッタを75％削減し、よりクリーンな造形と材料廃棄物の低減を実現した。
難溶接材料の加工：ビーム 成形技術により、ニッケル基超合金、工具鋼、特定アルミニウム合金、難溶金属など従来加工困難な材料の加工が可能となる。これにより、高度な材料特性が不可欠な航空宇宙、防衛、産業用工具分野における新たな応用が拓かれる。
部品品質の一貫性と後処理工程の削減：ビーム成形により 溶融プールを安定化させることで 、部品間のばらつきを最小限に抑え、微細組織の制御性を向上させます。ミュンヘン工科大学による316Lステンレス鋼の研究では、リングビーム形状がプロセスウィンドウを大幅に拡大し、高密度部品を維持しながら柔軟性を高めることが確認されました。これにより後処理工程が削減され、生産コストの直接的な低減につながります。
粉末とフィルターの寿命延長によるコスト効率の向上： EOSがIN718に関する独自の調査で明らかにしたように 、ビーム整形により粉末の損失を最大70％削減し、凝縮水の発生を60％低減できたことで、材料の利用効率が直接向上し、メンテナンスの頻度も減少しました。EOSのお客様にとっては、これは消耗品のコスト削減、ダウンタイムの短縮、そして高価値な金属粉末のより効率的な利用につながり、投資回収の早期化を実現します。