Laserauftragschweißen als additives Fertigungsverfahren

レーザ肉盛溶接 (LMD)

レーザ肉盛溶接は金属の積層造形法の一種です。国際的には多くの場合「レーザメタルデポジション」、略してLMDと呼ばれています。また、「ダイレクトメタルデポジション」(DMD) または「ダイレクトエナジーデポジション」(DED) と呼ばれることもあります。このプロセスを簡単に説明すると、まずはレーザによって部品表面に溶融池が形成されます。そしてノズルを通して金属粉末が自動的に供給されます。互いに溶接されたビードが形成されることで、既存の母材又は部品全体の表面に構造が築かれます。この製法が使用される業界としては航空産業、エネルギー技術、石油化学、自動車業界や医療技術などが挙げられます。TRUMPFのお客様にとっての利点は、レーザとレーザ装置の幅広いラインナップ、プロセスのノウハウと多数のアプリケーションを対象したサービスです。例えばLMD技術を、レーザ溶接/切断と組み合わせることも可能です。

他の方法より高い造形速度

レーザ肉盛溶接では大まかな構造と極めて精緻な構造の両方が、他の積層造形法より高い造形速度で生み出されます。

材料の多様性

このプロセスでは複数のパウダーコンテナを有効にできるため、必要に応じて独自の合金を開発することが可能です。複数の異なる材料を組み合わせることで、サンドイッチ構造が出来上がります。

フレキシビリティー

レーザ肉盛溶接では、3D構造を既存の凹凸のある表面上に構築して、形状を簡単に変化させることができます。

簡単な素材変更

レーザ肉盛溶接では、単一の作業プロセス内で複数の異なる素材間の切替を容易に行うことができます。

レーザ肉盛溶接のプロセスの簡単な説明

Verfahrensskizze Laser Metal Deposition

まずはレーザ光線が加工品を局所的に加熱することで、溶融池が形成されます。そして加工光学ヘッドのノズルから細かい金属粉末が溶融池に直接噴射されます。粉末はそこで溶け、母材と結合します。この工程の後には、厚さが約0.2から1ミリメートルの層が残ります。必要に応じて、多数の層を重ね合わせて構築することが可能です。ここでは不活性ガスとして、アルゴンが極めて頻繁に使用されます。加工光学ヘッドが自動制御で加工品の上を移動することで、線、平面及び特定の形状が形成されます。インテリジェントなセンサーにより、層厚が常にどこでも均一に保たれます。

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この技術自体と同じく多様な使用領域

レーザ肉盛溶接は単なる3Dプリントではありません。この革新的な製造方法の多様な使用領域は、コンポーネントのコーティングと修理からギャップのブリッジなどの接合プロセス、そして部品全体の生成にまで至り、その際には創造性を完全に自由に活かすことができます。

EHLA – 高いプロセス速度でのコーティング

Das EHLA-Verfahren beschleunigt das Laserauftragsschweißen nochmals erheblich, daher auch die Bezeichnung „Extremes Hochgeschwindigkeitslaserauftragschweißen“ (EHLA). Denn der pulverförmige Zusatzwerkstoff trifft bereits oberhalb des Schmelzbades auf das Laserlicht, das es noch auf dem Weg zum Bauteil bis nahe an den Schmelzpunkt erhitzt. Die Partikel schmelzen deshalb schneller im Schmelzbad, die Energie wird viel effizienter genutzt . So schafft das EHLA-Verfahren Flächenraten von über 250 Quadratzentimetern pro Minute. Im Vergleich zum „normalen“ Laserauftragschweißen ist dies eine beachtliche Steigerung, da dieses bis zu 40 Quadratzentimeter pro Minute schafft. Außerdem lassen sich weit dünnere Schichten von 30 bis 300 µm Dicke realisieren. TRUMPF konnte das vom Fraunhofer Institut für Laser Technologie entwickelte und patentierte Verfahren bereits in die Serienproduktion überführen.

コーティングして長寿命を実現

部品の局所的な補強又は形状調整用に、レーザ肉盛溶接で構造を簡単に溶着することができます。その下にある部品は比較的低コストの素材製で構いません。腐食又は摩耗からの保護層を施すことで部品の価値が高まり、高い機械的又は化学的負荷から保護されます。粉体プラズマアーク溶接やサーマルスプレーなどの従来の製法と比較して、レーザ肉盛溶接では加工品が受ける熱的負荷がごくわずかであるため、歪みなどが発生するリスクが低くなります。更に、LMDでは自動化度と再現性が高いため、経済性の面でも他の製法よりはるかに優れています。

自由な形状で生成

レーザ肉盛溶接では、部品をカスタマイズして製造する際に、特に一般的なプレス金型の場合と比較して、設計の自由度が大幅に高まります。補助材を使用してレーザ肉盛溶接を行うことで、全く新しい構造を生成したり、既存の部品の形状と表面構造を変化させたりすることができます。3Dプリンタのビルドスペースに入りきらない大型サイズの部品であっても、この方法では全体の生成が可能です。

スクラップせずに修理して使用

補助材を使用してレーザ肉盛溶接を行うことで、生産費用の高い高価な部品を簡単に修理して、部品やツールを素早く再び完全に使用可能な状態にすることができます。これにより、場合によっては長くかかることのある購入/納品時間だけでなく、費用も節約されます。なぜならば、特殊なニッケルベース合金などの高価な素材では、部品を修理する方が部品そのものを新しく購入するよりもはるかに経済的だからです。また更に、部品のデザインを変更することも可能です。素材プレートを欠陥のある箇所に取り付けるパッチング、粉体プラズマアーク溶接や従来型のWIG/TIG溶接などの別の製法と比較して、LMDでは発生する熱的負荷が低く、精度も極めて高くなっています。この精度により、卓越した再現性が保証されます。

補助材を使用した溶接でギャップをブリッジ

補助材を使用したレーザ肉盛溶接は、レーザ溶接向けに最適化されていない部品を溶接するための接合法としても適しています。なぜならば、LMDでは比較的大きなギャップをブリッジでき、手間のかかる準備作業なしでも部品を気密溶接できるからです。レーザ肉盛溶接では、通常は後処理をほとんど必要としない均一で気密性の継ぎ目が生み出されます。また更に、粉末が同軸方向に供給されるため、この接合プロセスではワイヤを使用した溶接の場合とは異なり、三次元での加工が可能になり、方向に左右されることがありません。LMDではそれに加えて、鋼とキャストアルミニウムなどの異なる素材を結合することも可能であり、これは例えば電気モータ用のバッテリーを接合する場合などに利用することができます。

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お客様向け情報

積層造形法としてのLMD

レーザ肉盛溶接は英語のレーザメタルデポジション (略称LMD)、ダイレクトエナジーデポジション又はレーザクラッディングという名称でも知られています。このプロセスを簡単に説明すると、まずはレーザによって部品表面に溶融池が形成されます。そしてノズルを通して金属粉末が自動的に供給されます。互いに溶接されたビードが形成されることで、既存の母材又は部品全体の表面に構造が築かれます。

レーザー肉盛溶接技術のイメージ

レーザ肉盛溶接の利点 積層造形法としてのレーザ肉盛溶接では、修理用のレーザ肉盛溶接から得られた長年の経験を活用することができます。他の積層造形法と比較して造形速度が速いため、プロセス速度が高まります。このプロセスでは複数のパウダーコンテナを有効にできるため、必要に応じて独自の合金を開発することが可能です。複数の異なる材料を組み合わせることで、サンドイッチ構造が出来上がります。粉末状の材料を幅広い種類の中から選択することができ、それには鋼、ニッケル (Ni) / コバルト (Co) / アルミニウム (Al) / 銅 (Cu) / チタン (Ti) からなる基本合金、金属製ダイに埋め込まれた炭化タングステンや炭化チタンなどが含まれます。粉体レーザ肉盛溶接は航空産業、エネルギー、石油化学、自動車や医療技術などの分野で使用されています。

Mittels Auftragschweißen erstellte Förderschnecke.

使用領域 レーザ肉盛溶接はコーティングと修理、部品全体の生成並びにギャップのブリッジなどの接合プロセスに使用します。それ以外にも、積層造形分野での部品全体の生成や異なる製法の組み合わせに適しています。例えば従来の製法で鋳造又は成形された母材に積層造形を施して、多様なバリエーションを経済的に提供することができます。LMD技術はレーザ溶接/切断と組み合わせることも可能です。

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