技術的なヒント│金属 3D プリント部品の高品質を確保するにはどうすればよいでしょうか?

出典: ファースーンハイテック

金属 3D プリントのプロセスは複雑です (図 1 を参照)。最終的な印刷品質に影響を与える要因は多数あります。高品質の金属 3D プリント部品を得るには、原材料、プロセス、機器の包括的な管理と制御が必要です。原材料の各バッチは仕様要件を満たす必要があり、プロセスは長期間テストして高い安定性と信頼性を確保する必要があり、機器（ソフトウェアを含む）は信頼性を確保するために全体的に設計する必要があります。いずれかの要素が考慮されていない場合、最終的なワークピースの印刷が失敗したり、品質検査が失敗したりする可能性があります。

図 1 典型的な金属 3D 印刷プロセス (画像提供: Farsoon Technology)
図2 原材料、プロセス、設備の関係（Farsoon High-Tech の画像）
1. 素材面 金属粉末材料は、金属 3D プリントの品質にとって非常に重要です。金属粉末には厳しい技術要件があります。Farsoon の金属粉末は、優れた品質のサプライヤーから供給されています。同時に、当社は金属粉末の品質管理に関する企業基準を確立し、粉末の品質を確保するために 2 つのアプローチを採用しています。一般的に、粉末をテストする必要がある指標は次のとおりです。

1.1. 化学組成 各元素の含有量は、関連する国家基準を満たす必要があります。使用される粉末の各バッチごとに、少なくとも 1 つの缶をサンプリングして検査します。一般的に、金属元素はプラズマ原子発光分光計で検出され、O、N、H 元素は酸素、窒素、水素分析装置で検出され、C 元素は炭素および硫黄分析装置で検出されます。いずれかの要素のテスト結果が合格範囲内にない場合、粉末のバッチは不合格と判断されます。

図3 誘導結合プラズマ原子発光分析装置（華樹所有）
1.2. 粒度分布 金属 3D プリントに適した粉末は、特定の粒度分布を満たす必要があります。プロセス特性に応じて、D10、D50、および D90 を制御する必要があります。粉末の各バッチでは、レーザー粒度分析装置を使用して粒度分布を検出する必要があります (テスト標準: GB/T 19077.1 粒度分析 - レーザー回折法 - パート 1: 通則)。いずれかのパラメータのテスト結果が合格範囲内にない場合、粉末のバッチは不合格と判断されます。

図4 レーザー粒度分布測定装置（HuaShu社製）

図5 粒度分布図（模式図、Farsoon High-Techより）

1.3. 流動性 金属 3D プリントでは、粉末の流動性に関して厳密な要件があります。粉末の流動性が悪いと、主に粉末の配置品質に影響し、印刷品質にも影響します。粉末の各バッチについて、少なくとも 1 つの缶をサンプリングし、ホール流量計を使用して検査します。検査基準は、GB/T 1482「金属粉末の流動性を測定するための標準漏斗法 (ホール流量計)」です。試験結果が合格範囲内にない場合、粉末のバッチは不合格と判断されます。

図5 ホール流量計（HuaShu独自） 1.4. その他の重要な指標

粉末の形態、球形度、中空粉末率、粉末水分、ゆるい/タップされた密度、安息角などはすべて、それに応じてテストする必要があります。

図6 金属粉末のSEM形態（17-4PH）
2. プロセス終了 金属 3D プリントのプロセスパラメータは多数ありますが、大まかに分けると、ソリッド充填パラメータ、輪郭パラメータ、サポートパラメータなどになります。 Farsoon には 40 名を超えるアプリケーション研究開発チームがあり、3D プリント業界で 25 年以上のアプリケーション経験を持つ Philip Cornner 氏などの海外の上級コンサルタントもいます。当チームは、材料プロセスパラメータの開発とサンプル印刷プロセスの設計を専門とし、お客様にとって最適な応用方向を見つけ、お客様が積層造形の世界へ参入するための欠かせないアシスタントとなります。現在までに、チームは 14 を超える材料プロセスパラメータパッケージをリリースし、100 件を超えるアプリケーションケースの成功をお客様に支援してきました。

プロセスパラメータが安定して信頼できることを保証するために、テーマ別の研究が行われています。具体的なプロセス開発ルートは、下の図 7 に示されています。繰り返し印刷検証 (義歯など、数十万回) を行った後、プロセスパラメータの高い信頼性が保証されます。

図 7 プロセス開発およびデバッグのフローチャート (Farsoon High-Tech からの画像) 図 8 に示すように、レーザー出力 (p)、スキャン速度 (v)、ハッチング距離 (h)、および層厚 (t) は、金属 3D プリントの効率とパフォーマンスに影響を与える重要な要素です。通常、プロセスデバッグはこれら 4 つのプロセスパラメータを中心に行われ、体積電力密度の計算式は式 1-1 のようになります。

図8 プロセスパラメータ図（Farsoon Technology提供の画像）
フォーミュラ1-1
印刷された基本試験片（図 9 参照）は、対応する規格に従ってテストされます。具体的なテスト規格は表 1 に記載されています。テスト結果を要約して分析し、最良の機械的特性に対応するパラメータを取得します。

図9 プロセスデバッグ中に印刷されたテストサンプル（写真提供：Farsoon Technology）

表1 試験項目と参照基準（Farsoon High-Techより）
3. デバイス側 金属 3D プリントには、設備に対する要件が非常に厳しく、高精度の光学システムと、精度と効率の両方を考慮した動作機構が必要です。 Farsoon の設備研究開発チームは強力な技術力を備えており、世界的に有名な科学者である徐暁樹博士が率いています。機械、ソフトウェア、光学、PLC、熱分野、物理技術、電子技術などの分野をカバーしています。チームには 10 年以上の設計経験を持つ多くの上級エンジニアがいます。徐暁樹博士は、粉末床積層造形技術の世界的著名人、起業家であり、フォーブス誌の表紙を飾った人物です。20年以上の積層造形経験を持ち、「世界応用科学における100の傑出した貢献賞」や「最優秀人工知能賞」など、世界トップクラスの賞を受賞しています。世界中の多くの積層造形企業で、主要技術の研究開発と産業化をリードしてきました。同時に、Farsoonの設備の主要部品はすべて世界トップクラスのサプライヤーから調達されています。

Farsoon High-Tech の金属 3D 印刷システムの特長と利点は次のとおりです:動的光学システム F-Ɵミラーと比較して、ダイナミックフォーカスは光スポットの柔軟な制御を実現できるため、印刷品質を確保しながら印刷効率を向上させ、印刷部品の表面精度も大幅に向上させることができます。

図10 動的集約技術の図解（Farsoon Technologyより提供）

図 11 ビーム品質分析テスト (Farsoon High-Tech の画像)ソフトウェアシステム Farsoon High-Techが独自に開発した積層造形用の統合オープンソースソフトウェアオペレーティングシステムは、製造と故障診断の温度場制御、遠隔監視、データフィードバック、統合制御などの機能を兼ね備えており、積層造形の複数のモジュールの機能を統合したシステム制御ソフトウェアです。また、オープンソースの特徴を備えた3Dプリントソフトウェアシステムであり、欧米の積層造形企業の元々のクローズドソフトウェアの技術的限界を突破し、この分野のオープンソフトウェアプラットフォームとなっています。

顧客は、サードパーティのソフトウェアに投資することなく、Farsoon の自社開発ソフトウェアを使用して、完全なモデルの前処理と機器の制御を実行できます。

ビルドスターシステム
Buildstar ソフトウェアは、焼結作業パッケージの配置に使用されます。STL パッケージの配置 (移動、回転など)、サイズのスケーリング、サポートされた表面のプレビュー、サポートの生成、サイズの補正と調整、構築とワークピースのパラメータ設定、衝突検出、時間と材料の見積もり、スキャンパスのプレビュー、測定などの機能があります。 Farsoon はオープンソースのコンセプトを堅持し、ユーザーが調整できる焼結パラメータを公開し、顧客の材料研究開発とアプリケーション研究開発に効果的なソリューションを提供します。

図 12 Bulidstar インターフェース (Farsoon High-Tech の画像)
図 13 Buildstar スライスインターフェース (Farsoon High-Tech の画像)
Makestarシステム
MakeStar ソフトウェアは、装置のすべての動作を制御するために使用され、リアルタイムチャート監視機能を備えています。これには、作業室内の酸素含有量値のリアルタイムグラフ、循環システム内の圧力のリアルタイムグラフ、ピストンヒーターの温度のグラフ (上から下に配置) が含まれます。情報バー: 装置のプロンプト、警告、アラームメッセージがリアルタイムで表示され、クリアできます。ステータスバー: 作業室のドア、ガス回路制御、レーザー、ヒーター、成形シリンダーピストン、シリンダートランスファー、スクレーパー、パウダーオーバーフローシリンダー、シリンダーリフティング、基板などの関連情報を含む、装置の現在の動作状態を記録します。

図14 Makestarシステムのモーションインターフェース（写真提供：Farsoon Technology）
IV. 結論 Farsoonは「Open for Industry」の理念を堅持し、原材料、プロセス、設備の3つの側面において顧客に最善のソリューションを提供しており、同社の製品は航空宇宙、義歯、医療などの分野で広く使用され、3Dプリントの産業化を積極的に推進しています。

出典: ファースーンハイテック

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