層から層へ
積層造形における高精度プロセスモニタリングとエラー検出
en.ids-imaging.com
重要な課題としては、部品品質に決定的な影響を与える、層ごとのレーザー溶融プロセスの精密な分析が挙げられます。プロセス安定性と効率向上の研究の一環として、アーレン大学レーザー応用センター（LAZ）の学生および研究スタッフは、PBF-LB/Mプロセスの広域かつ動的な観察を実施しています。温度フィードバックを伴う高速プロセス制御の観点から、スパッタや煙の発生、凝固挙動などの現象、ならびに積層造形中の機械部品の安全な動作について調査が行われています。これに加え、再溶融された部品層の形状を高解像度で静的に分析し、粉末層の潜在的な欠陥を的確に検出することで、出来上がる部品の品質について確かな結論を導き出すことが可能となります。本研究プロジェクトの画像撮影装置として、IDS Imaging Development Systems社製の高性能USB3産業用カメラ2台が採用されています。
IDSカメラ U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 および IDSカメラ U3-3990SE-M-GL Rev.1.2 を用いた積層造形の試験装置
2台のIDS産業用カメラが、必要な画像情報を提供
2つの異なるタスクには、異なるカメラモデルが必要です。「PBF-LB/Mプロセスの飛沫や煙の発生など、広範囲な動的観察には、USB3 uEye CPカメラシリーズのモデルを使用しています。一方、粉末層内や再溶解された部品層の形状における異常を静的に高解像度で識別するには、SEシリーズのUSB3 uEyeカメラを使用しています」と、LAZの研究員であるDavid Kolb氏は説明しています。
カメラシステムの要件
PBF-LB/Mにおける適用領域の違いにより、2つのIDSカメラシステムの要件は異なります。
「粉末床式レーザービーム溶融による金属加工は、部品を層ごとに生成する非常に動的な積層造形プロセスであるため、グローバルかつ動的なモニタリングにおいて次の機能が特に重要でした。カメラは1000×1000ピクセル以上の解像度と100fps以上のフレームレートを備え、最低でも100mm×100mmの画像視野をカバーし、動画記録用のトリガーポートを備えている必要があります」とDavid Kolb氏はカメラモデルの選定理由を説明しています。
選定されたU3-3040CP-C-HQ Rev.2.2は、低照度環境や高速移動物体の撮影時においても優れた画質を実現します。搭載されているSony製PregiusシリーズのIMX273グローバルシャッターCMOSセンサーは、特に画質、高感度、広いダイナミックレンジにおいて高く評価されています。1.58メガピクセル（1456×1088ピクセル）の解像度で、毎秒251フレームのフレームレートを実現しており、動的なプロセスの詳細な動画・画像解析に最適です。
IDSカメラ U3-3040CP-C-HQ Rev.2.2 および IDS peak ソフトウェアを用いた、異なる色と露光設定による PBF-LB/M のグローバルプロセスモニタリング
この動画／画像は、IDS社のU3-3040CP-C-HQ Rev.2.2カメラとIDS peakソフトウェアを用いて記録された、異なるレーザーパラメータを用いた層ごとのPBF-LB/Mプロセスを示しています。「産業用カメラの設定に応じて、PBF-LB/Mプロセス中の材料蒸発や飛散物の量・方向など、様々なプロセス特性を観察・定量化することが可能です」と、David Kolb氏は本アプリケーションについて説明しています。
「ここから得られた知識は、積層造形プロセスにおけるレーザーと材料の相互作用をより深く理解し、材料や部品の形状などに応じて製造パラメーターをカスタマイズするための重要な情報を提供してくれます。」
プロセスパラメータを決定するため、立方体形状の部品を積層造形し、USB3 uEye CPカメラを用いて製造プロセス全体を分析しました。これにより、加工が困難な 6.5 重量% のケイ素を含む鉄ケイ素合金 (FeSi6.5) から、将来のより効率的な電気モーター向けの新しいタイプの軟磁性部品を製造するための最適なレーザーパラメーターを特定することが可能になりました。これをベースにしたFeSi6.5製固定子ハーフシェルは、最適化された三次元磁束誘導により、横磁界型機械の特殊な要件に理想的に適合します。材料の高い電気抵抗とPBF-LB/Mの設計自由度により、渦電流損失の低減、電力密度の向上、冷却構造などの追加機能の組み込みが可能になります。複雑な形状と脆性を持つ軟磁性材料FeSi6.5は、従来の製造プロセスでは製造・加工がほぼ不可能であり、積層造形技術の採用が必要となります。
建設プラットフォーム上にある、FeSi6.5製の横磁界型機械の積層造形による軟磁性固定子ハーフシェル
一方、粉末層や構成層の形状を静止状態で高解像度観察するためには、単一画像記録用のトリガーポートに加え、特に次のカメラ特性が求められます。層の欠陥を識別するために、センサーは40 µm未満の幾何学的特徴を検出でき、最低100 mm × 100 mmの画像視野と、可能な限り正方形に近い画像比率（1:1）を提供する必要があります。まさにこの要件を満たすのが、20.36メガピクセル（4512 x 4512 px）の産業用カメラ U3-3990SE Rev.1.2 です。本製品には、Sony Pregius S シリーズの高性能・超高解像度・大型フォーマット 1.1 インチ CMOS センサー IMX541 が搭載されています。BSI技術（裏面照射型）により、より小さな画素（2.74 µm）と高解像度、さらに量子効率と感度の向上が実現されています。
「特にユーザーフレンドリーで柔軟に組み込むことができるIDSカメラのおかげで、USB3 uEye SEを特定の角度に正確に配置できるよう、試験装置に必要な調整を迅速かつ簡単に実施することができました」とDavid Kolb氏は説明します。個々の粉末成分の形状層をほぼ垂直に観察することで、最終調整が完了次第、部材の品質や潜在的な製造上の欠陥に関する貴重な情報を得ることができます。これにより、積層造形された部品の特性に関する重要な情報を得ることができ、製造プロセスの最適化に役立ちます。
粉末成分の形状層を静的に観察するためのIDSカメラU3-3990SE-M-GL Rev.1.2の位置決めのための試験装置の設計調整
今後の展望
PBF-LB/M分野における研究は、新素材合金の開発・加工ならびに性能向上型、または複合素材部品形状の製造において不可欠です。このプロセスを深く理解することで、欠陥を最小限に抑え、従来の製造方法では実現不可能な革新的な設計を実現することが可能となります。IDSカメラはPBF-LB/Mに関する深い知見を提供し、新素材合金の加工や複雑な用途最適化（複合素材）部品の製造など、研究・開発・技術移転（R&D&T）に大きく貢献します。
将来的には人工知能を活用し、PBF-LB/Mの動的・静的観察データを自動解析できるようになるでしょう。これにより、飛散物の発生数や軌跡、プロセスエラーの発生など、非常に動的なレーザーと材料の相互作用について、より深い理解を得ることが目的です。さらに、資源効率と持続可能性の観点から、積層造形プロセスをさらに改善することを目指しています。
画像の権利: Aalen University
© 2025 IDS Imaging Development Systems GmbH
カメラ
uEye CP - 29 x 29 mm の業界標準フォーマット、特許取得済みのハウジング設計
使用されたモデル: U3-3040CP Rev.2.2
カメラファミリー: uEye CP
uEye SE - 「スタンダードエディション」 / 汎用マウントオプションを備えた多用途産業用カメラ
使用されたモデル: U3-3990SE-M-GL Rev.1.2
カメラファミリー: uEye SE
クライアント
アーレン大学レーザー応用センター（LAZ）は、学士課程プロセス工学・マネジメント（PEM）および修士課程先端材料・製造（AMM）に所属し、アーレン応用フォトニクス学部（AASAP）の一部門です。当センターは持続可能な生産技術に特に重点を置き、レーザー材料加工に関連する研究テーマに焦点を当てています。例えば、積層造形、表面・体積の改質、接合技術といった革新的なテーマが研究対象です。ここでは制御されたプロセス管理、最先端の計測技術、機械学習手法が用いられています。
