指向性エネルギー堆積 | 金属3Dプリンター

DED: 指向性エネルギー堆積

2023 年 4 月 27 日| プレスリリース

積層造形については聞いたことがあるでしょうが、積層造形についても聞いたことがありますか? これは、摩耗または損傷した金属部品を 3D プリントで修復または修復するプロセスです。これは、指向性エネルギー堆積 (DED) 積層造形の一般的な用途の 1 つです。

4 つの主要なバリエーションを持つこの技術は、その多用途性と速度により、船舶、航空宇宙、自動車、および工業製造分野で構造的に重要な金属コンポーネントを製造する際に人気が高まっています。

実際、調査会社コンテキストのデータによると、DED 3D プリンターの売上は 2022 年に 31% 増加しました。「この成長は、テクノロジーへのアクセス拡大に貢献したMeltioのようなベンダーによる新しいエントリーレベルで低価格のサブカテゴリーのおかげでもあります」と Context のグローバル分析およびリサーチ担当バイスプレジデントである Chris Connery 氏は述べています。

たとえば、 Siemens Energyを見てみましょう。同社は、ローターを保持している各 20 トンの鋼棒のエンドノズルを追加修理することで、ガスタービンのメンテナンスのダウンタイムを数週間から数日に大幅に短縮し、プロセスの時間と費用を節約しました。

多くの場合現場で行うことができる修理に加えて、指向性エネルギー蒸着を使用してまったく新しい部品を作成します。

この記事では、この新興テクノロジーの詳細、その多くの用途とバリエーション、長所と短所、さらには最も有名なメーカーとマシンについて詳しく説明します。あなたの脳に知識を植え付けましょう。

指向性エネルギー堆積の基礎

粉末による指向性エネルギー蒸着

指向性エネルギー蒸着 (DED) は、同様の 3D プリンティングプロセスの範囲をカバーする包括的な用語です。

電子ビーム DED (E-DED)
電気アーク DED
コールドスプレー
溶融DED
摩擦 DED

さまざまな方法はすべて、強力なエネルギーを使用して金属材料の溶融と堆積を同時に行っています。違いは、ワイヤーや粉末などの材料の形式と、レーザー、電子ビーム、電気アーク、超音速、熱などのエネルギー源の種類にあります。

国際標準化機構はコールドスプレーを DED 技術として認めていません。熱が関与しておらず、溶融 DED は押出成形の一形態であり、摩擦 DED は分類するには新しすぎるという議論が行われる可能性があるためです。

要するに、金属 3D プリンティングのテクノロジーは、そのカテゴリーについて私たちが合意できるよりも速く進化しているということです。

技術的には、DED は世界最古の金属積層造形プロセスと考えられますが、その存在の大部分は単にクラッディングとして知られていました。

DED プロセスは、3D プリンターメーカーが同じプロセスに対して独自のブランドを考案することを好むため、他の多くの名前で知られています。粉末ベースのレーザー DED の場合、これには、指向性金属蒸着 (DMD)、直接レーザー蒸着 (DLD)、超高速レーザー材料蒸着 (EHLA)、レーザー粉末蒸着 (LPD)、レーザー粉末融着、および粉末レーザーエネルギーが含まれます。

以下では、最終成分におけるエネルギー固有の違いを強調するために、エネルギー源ごとに DED のサブタイプをグループ化します。また、よく使用される「ワイヤー DED」では、DED が原料 (ワイヤーまたは粉末) ごとに整理されているため、レーザー、電子ビーム、電気アークのどれを使用しているのか疑問に思うこともあります。それらすべてを見てみましょう。

レーザー指向性エネルギー堆積

蒸着ヘッドが粉末材料をスプレーしながら、レーザーで金属部品に粉末材料を溶かします。

レーザー指向性エネルギー蒸着 (L-DED) では、金属粉末または金属ワイヤーを 1 つまたは複数のノズルを通して供給し、強力なレーザーを使用してビルドプラットフォームまたは金属部品上で融合させ、オブジェクトを層ごとに構築します。

金属粉末を使用する L-DED 3D プリンターは、金属ワイヤーを使用するものとは異なる機械ですが、類似点があります。

L-DED (粉末とワイヤ) の構築速度は粉末床溶融よりも速いですが、表面品質と精度は低くなる傾向があります。望ましい最終結果を達成するには、多くの場合、大規模な後加工が必要になります。

このため、この技術やその他の技術が、製造に大規模な機械加工が必要となる複雑な部品に特に適しています。部品をニアネットシェイプに追加的に予備成形し、CNC で最終仕上げを行うことで、必要な切削操作を節約することで、材料と時間を大幅に節約し、全体の生産コストを削減します。

酸化を防ぐために、レーザー DED プリンターにはアルゴンが充填された密閉チャンバーが備えられていることがよくあります。あるいは、反応性の低い金属を処理する場合には、局所的なアルゴンまたは窒素のフラッドが使用されます。このプロセスではステンレス鋼、チタン、ニッケル合金が一般的に使用されます。

DM3D、オーバーン大学、NASA は、L-DED を使用して世界最大の 3D プリントロケットノズルを構築しました

L-DED は、ジェットエンジンのブレードやブレーキディスクなどのハイエンドの航空宇宙および自動車部品の修理に使用されます。

また、迅速分析製造推進技術プロジェクトの一環として、DM3D およびオーバーン大学と協力して、NASA の 10 フィートロケットノズルライナーなどのコンポーネント全体を製造するためにも採用されています。

これは、粉末床溶融技術が直面するような空間的制限がない、容易に拡張可能なプロセスであるため可能です。

L-DED を金属粉末の代わりに金属溶接ワイヤと組み合わせると、価格が大幅に下がるため、技術の用途がさらに広がります。金属ワイヤを使用した L-DED は、すでに他の用途に金属ワイヤを使用しているメーカーにとって魅力的な技術です。

電子ビーム指向性エネルギー蒸着

Sciaky は自社の電子ビーム DED 3D プリンティングプロセスを EBAM としてブランド化

電子ビーム DED またはワイヤ電子ビームエネルギー蒸着と呼ばれるこのプロセスは、対応するレーザと非常によく似ていますが、おそらくご想像のとおり、エネルギー源が電子ビームであり、原料が金属ワイヤである点が異なります。

このエネルギー源は、あらゆる耐火性および耐性のある材料、特にチタン、銅、コバルト、ニッケルの合金を処理できます。チタンなどの反応性材料を高いプロセス安定性と低い気孔率で処理できるため、航空宇宙産業などの高性能製造分野で人気があります。

粉末供給よりも速いため、通常、ワイヤフィーダは原料ワイヤを溶融プールに押し込んで、目的の形状を作成します。

電子ビーム DED では、電子と空気分子の衝突を避けるためにプロセスチャンバーを真空下で動作させる必要があります。この技術は、対応するパウダーベッドほどサイズに制限はありませんが、ビルドチャンバーが大きくなるほど、真空を作り出すのに時間がかかります。

電子ビーム DED プリンタは通常、サイズが非常に大きくなります。Sciaky は、最長 6 メートルの部品を印刷し、1 時間あたり最大 9 kg の材料を「押し出す」ことができるシステムを提供しています。

ハイブリッド製造と呼ばれるプロセスを通じて、ニアネット形状が加算的に製造され、その後減法的に仕上げられます。

ワイヤーアーク積層造形

Norsk Titanium は、チタンワイヤとプラズマアーク溶接を組み合わせて、高速プラズマ蒸着プロセスを実現しています。

このタイプの 3D プリンティングでは、プラズマまたはワイヤーアークを使用して、金属ワイヤーが蒸着された場所を正確に溶かします。

これはワイヤーアーク積層造形 (WAAM) と呼ばれていますが、「ワイヤー電気アークエネルギー堆積」、さらに「ワイヤープラズマアークエネルギー堆積」という言葉も聞こえます。

実際には、プラズマアークを使用するという点で WAAM とは異なります。これらの 3D プリンタには、多軸ターンテーブルなど、表面上に部品を層ごとに構築するためのロボットアームが含まれています。

レーザーや電子ビームを使用する同様のテクノロジーと比較して、WAAM にはメーカーにとって魅力的なオプションとなるいくつかの利点があります。

最も重要な利点の 1 つは、他の DED テクノロジーと比較した場合の費用対効果です。

たとえば、通常は密閉されたプロセスチャンバーを必要としないため、セットアッププロセスが簡素化され、コストが削減されます。

さらに、従来の溶接と同じ金属を使用できます。これにより、幅広いアプリケーションに適応できる多用途かつ柔軟なソリューションになります。

すべての DED テクノロジーの中で、WAAM は最も手頃な価格のオプションです。既存のアーク溶接ロボットと電源を使用できるため、参入障壁が低くなり、幅広い企業が利用できるようになります。さらに、その複雑なソフトウェアにより、熱管理やロボットアームのツールパスなどのさまざまなパラメーターを正確に制御でき、一貫性のある信頼性の高い結果が保証されます。

最後に、WAAM を通じて作成された部品の仕上げプロセスはシンプルかつ簡単です。除去する支持構造がないため、完成部品は通常、必要に応じて厳しい公差に合わせて CNC 機械加工されるか、表面研磨されます。場合によっては、残留応力を軽減するために印刷部品に熱処理が施されます。

コールドスプレー

火花が飛んでいるように見えますが、コールドスプレー技術は直接熱源を使用しません。

この技術では、レーザーや電子ビームで粉末粒子を溶かす代わりに、ノズルを使用して粉末粒子を超音速で表面に堆積させます。

衝撃が加わっても、個々の粒子は溶融せず、冶金的結合と機械的結合によって形成されます。これにより、一般的に熱 DED 技術と比較して材料の均質性と強度が向上し、鋳造よりも鍛造に匹敵します。

その代わり、熱が不足するということは、応力変形や高温亀裂などの関連する問題を大幅に軽減できることを意味しますが、コールドスプレーには独自の課題が伴います。

最も注目すべきは、原料粒子同士および作業面との接着強度です。材料特性に影響を与えるその他のパラメーターとしては、熱処理サイクルと粒子を加速するために使用されるプロセスガスの種類があります。

代わりに、2000 年代以降、コーティングプロセスとして使用されてきましたが、最近では積層造形会社がこれを部品全体の生産に採用しています。他の金属 3D プリンティングプロセスよりも 50 ～ 100 倍の高速で材料を堆積でき、不活性ガスや真空チャンバーは必要ありません。

他の DED プロセスと同様に、達成可能な表面品質はそれほど優れたものではありませんが、一部の部品では、それは要件ではありません。他のすべての部品については、さらなる処理のためのハイブリッド製造がオプションです。

溶融直接エネルギー堆積

このテクノロジーは材料の押し出しを思い出させます。

このテクノロジーは、分類するのがやや難しいにもかかわらず、このリストで言及に値します。

溶融直接エネルギー堆積は比較的新しく、これまでのところ、Grob、Valcun、そして最近まで Xerox など、少数の 3D プリンターメーカーによってのみ提供されています。

熱を使用して金属 (通常はアルミニウム)を溶かし、ビルドプレート上に層ごとに堆積させます。

他の金属押出プロセスとは異なり、後で熱処理によって除去する必要があるポリマー結合剤を必要としません。

これは材料噴射のカテゴリにも当てはまりますが、材料はアレイではなく単一のノズルから流されます。

摩擦直接エネルギー蓄積

摩擦 DED を使用した大型アルミニウム野外構造物

コンサルティング会社 Ampower など、金属積層造形産業を追跡する企業は、「摩擦直接エネルギー堆積」という用語を使い始めています。
摩擦をエネルギー源として使用して、金属を溶融させずに堆積させるのに十分な展性を持たせる方法について説明します。

Meld社は、摩擦撹拌溶接の一種を使用するプロセスに関する特許取得済みの手法を提供しています。

彼らは部品製造、コーティング塗布、部品修理、金属接合など、幅広い機能を提供します。

Meld 氏によると、その利点は、全体的なエネルギー使用量が少なく、熱がないため気孔率や材料への応力が少ないことです。この方法は密閉チャンバーやガスを必要とせず、ほぼすべての金属合金を使用できます。

ハイブリッド製造

ニアネットシェイプが迅速に実現され、必要な場合にのみ仕様に合わせて正確に機械加工されます。

独自のテクノロジーではありませんが、ハイブリッド製造アプローチは、それぞれの強みを生かして、加算と減算の世界の最良のものを組み合わせることを目的としているため、ここで説明することが重要です。

これを実現する方法はいくつかありますが、一般的に、積層造形はより複雑なネット形状を迅速に構築するために使用され、その後、長い加工時間と材料の無駄を省くために削るなどして仕上げることができます。

既存の部品の修理にも、新しい部品の作成にも使用できます。このアプローチ全般に興味がある場合は、3D プリンティングと CNC 加工について説明した詳細な記事もぜひご覧ください。

DED の場合、ハイブリッド製造は 3D プリンターと CNC マシンを使用して行うことも、DMG 森の Lasertec シリーズのようなオールインワンソリューションを使用して行うこともできます。

同社の CNC フライス加工システムは、一体化された 5 軸同軸ノズルを備えており、レーザーによるエネルギーの付与とその後のフライス加工を 1 回のクランプで行うことができるため、マシン間を完全に切り替える必要がありません。

さらに、メーカーは多くの場合、スタンドアロンマシンだけでなく、サードパーティの CNC やロボットプラットフォームに取り付けるためのアップグレードキットの両方を提供しています。

例としては、Trumpf、Meltio、Prima Additive などが挙げられます。Oscar のような一部の企業は、アップグレードキットのみに重点を置き、独自のプリンターを提供していません。

Meltio Engine 金属 3D プリンティングユニットは、ほぼすべての CNC マシンに統合できます。

指向性エネルギー堆積の長所と短所

DED 技術は、選択的レーザー溶解や電子ビーム溶解などの粉末床融合 (PBF) 技術とよく比較されます。したがって、列挙された長所と短所は、そのような 3D プリンティング技術および従来の製造に関連して理解されるべきです。

より高速な速度

DED は、PBF などの他の一般的な金属 3D プリント技術よりもはるかに速い速度で材料を堆積できます。

材料費が安い

特にワイヤーベースの DED に関しては、原料価格が大幅に低くなります。

より多くの素材

市場にあるほぼすべての溶接可能な材料を DED で処理でき、複数材料のプリントも可能です

サポート構造が無い

PBF に比べて自由度が高いため、モデルやノズルの向きを常に変更してオーバーハングを回避できます。

生産の柔軟性が向上

部品の付加、ハイブリッド、および再製造に使用できます。

簡単なテクノロジー統合

CNC 加工と類似しているため、既存の製造ワークフローに簡単に統合できます。

DED で作成された部品をスキャンして寸法精度をチェックします

他のテクノロジーと同様に、 DED にも欠点があり、それを次のリストにまとめます。

初期投資が高い

DED システムは、特に小規模生産の場合、高価です。

後処理要件

通常、DED は PBF よりも表面仕上げと寸法精度が劣ります。多くの場合、CNC 加工やその他の後処理ステップが必要になります。

寸法精度が悪い

通常、DED は PBF に比べて寸法精度が劣るため、小さくて複雑なオブジェクトを印刷することが困難になります。

操作の複雑さ

エンジニアと機械オペレーターは、両方のタイプを最大限に活用するには、アディティブ製造法とサブトラクティブ製造法に関する専門知識が必要です。

メルティオM450

Meltioは小規模 DED を提供するメーカーです。

M450は金属ワイヤーを使用する小型 DED 3D プリンターです。その造形寸法は 145 x 168 x 390 mm で、他の DED マシンと比較すると非常に小さいと考えられます。このため、このマシンは、研究開発だけでなく、DED 積層造形を検討している専門家にとっても魅力的なエントリーレベルのシステムとなっています。

M450 は、設置面積が小さい数少ないワイヤーベースのシステムです

このマシンは純粋な 3D プリンターでもあり、リストにある他の多くのマシンのようなレーザー加工機能はありません。それが必要な場合、Meltio は既存の CNC フライス盤やロボットアームプラットフォームに取り付けるための Meltio エンジン統合キットも提供しており、M450 のサイズの制約を排除します。

同軸上に送られるワイヤに焦点を合わせた 6 つの独立したダイオードレーザによって提供される最大 1,200 W のレーザ出力で、この機械は鋼、ニッケル、チタン、インコネルなどの幅広い溶接ワイヤを処理できます。

これらのワイヤはすべて不活性ガスの恩恵を受けます。溶融プールの保護。業界標準の溶接ワイヤを使用できることも、この小型機械のコスト削減要因です。

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