付加製造プロセスの変動性

付加製造プロセスの変動性
出典: Additive Light

付加製造 (AM) は歴史的にラピッドプロトタイピングに使用されてきましたが、この分野では最終製品の製造と生産に AM を使用する方向に大きく進歩しました。製造ソリューションとして使用するには、AM プロセスによって材料特性と形状に関して再現可能な結果が生成される必要があります。 AM プロセスがどの程度繰り返し可能であるかを理解することは、設計許容値、品質管理手順、許容スクラップ率、生産方法としての一般的な適合性などの項目を定義する際の重要な要素です。 AM プロセスの寸法精度を調査している研究はいくつかありますが、複数の技術の精度に焦点を当てた研究はありません。さらに、AM プロセスによる機械的特性の変化を調査した研究はほとんどなく、ほとんどの分析は金属 AM ソリューションに焦点を当てています。この研究では、AM プロセスの機械的および寸法的変化を調査し、ポリマー ソリューションの製造準備状況を判断しました。この研究は、材料や建設方法の違いにかかわらず、プロセス間の直接比較を可能にするために、パフォーマンス特性を標準化することを目的としていました。これを実現するために、テスト戦略では、ビルド プラットフォーム間、ビルド間、マシン間、ビルド方向間の違いの検出をサポートしています。簡潔にするために、このレポートでは累積的な差異とマシン間の差異についてのみ説明します。

変動性と正確性<br /> 付加製造プロセスの機械的特性と幾何学的および寸法的精度の変動性を調査および分析し、生産に使用する準備ができているかどうかを評価します。変動性は精度として表現されますが、これは正確度とは異なります (図 1)。理想的には、付加製造プロセスは、製品を作成する際に正確かつ精密なものになります。ただし、正確 (変動性が低い) だが不正確なプロセスは、不正確だが正確なプロセスよりも優れています。簡単に言えば、精度は、製造プロセスの制御と出力品質の信頼性に必要な、予測可能で再現可能な結果を​​生み出します。したがって、AM プロセスが主流の製造方法として受け入れられるためには、変動性が低くなければなりません。この研究では、変動性は変動係数 (COV) と標準偏差 (SD) によって定量化されました。

付加製造プロセス 付加製造プロセスは数多くあり、材料と機械の組み合わせは驚くほど多くあります。この調査では、人気度(産業用途での使用頻度)やサプライヤーの製造準備状況の要件などの選択基準に基づいて、6 つの AM プロセスと 6 つの材料が選択されました。表 1 に、この研究で分析した AM プロセス、機械、および材料を示します。


変動性: 機械的特性<br /> 材料特性の場合、精度は値が目標値にどれだけ近いかを示す尺度であり、データシートまたは以前のテストから導き出されることがあります。精度は値の範囲または変動の尺度であり、正確さとは関係ありません。この調査では、AM 材料間の精度と相対的な差は評価されませんでした。対照的に、属性値を繰り返し生成する能力の尺度としての変動性(精度)が研究の焦点です。基準値が大幅に異なる場合、標準偏差 (SD) を比較尺度として使用できないため、この分析では、期待される結果が再現可能に達成できるという信頼性の指標として変動係数 (COV) に依存します。変動係数が低いということは予測可能性が高く、材料特性仕様が繰り返し達成された場合の信頼度が高まります。たとえば、AM プロセスの変動係数は低いが不正確な場合は、偏差に対応するために部品の設計を変更したり、処理パラメータを調整して目的の結果を達成したりすることができます。したがって、他のプロセスと同様に、製造では、ビルドからマシン、マシンからマシンまで一貫したパフォーマンスを確保するために、変動係数を低く抑える必要があります。この研究では、引張強度、引張弾性率、破断点伸び(EAB)の変動係数を評価しました。詳細な分析のために、水平方向 (XY) と垂直方向 (ZX) に構築された試験片から変動係数を測定しました。さらに、2 台の AM マシンの COV の一貫性調査も実施しました。テスト方法の詳細については付録を参照してください。全体的な図 2 は、プロセスと試験片の方向による引張強度、引張弾性率、破断点伸びの変動係数を示しています。結果は、FDM、MJF、SLA の強度と弾性率の COV がすべて 4.01% 未満と低く、構築方向間でわずかな違いがあることを示しています。 XY 方向の MJF の EAB を除き、FDM、MJF、および SLA の EAB の COV は低から中程度で、4.96% から 14.12% の範囲です。通常、EAB テストの結果は、製造プロセスに関係なく、引張強度や引張弾性率よりも大きな変動が生じるため、これらの結果は予想されます。


必要な機械的特性が既存の材料から得られると仮定すると、変動係数 (COV) が低いということは、FDM、MJF、および SLA が生産アプリケーションに最適であることを示しています。 SLS、CLIP、FFF の COV が高くなるほど予測可能性は低くなり、生産には不利になります。 FFF は変動性が高く、1 つのケースを除いて XY 方向で COV が最大となり、SLS の引張強度が高まりました。図 2 は、2 つの方向の COV 間の FFF 偏差が非常に大きいことも示しています。ただし、ZX 方向は十分にサポートされておらず、薄くて背の高い構造を安定させることができないため、FFF には推奨されないため、この事実は無視する必要があります。したがって、ベンダーの配置推奨事項を確認した後に構築された FFF ZX サンプルは半分だけです。図2に示すように、1つの例外を除いて、CLIPとSLSのCOV値はFFFの値よりも優れていますが、FDM、MJF、SLAの値よりも悪いです。 CLIP のビルド領域により、XY 方向のクーポンはビルドできないことに注意してください。

これは 3D プリント コンサルタントの Todd Grimm によるホワイト ペーパーですが、Stratasys の委託調査の一部です。シリーズの一部になります。

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