サフランが3Dプリントを使用して非対称部品を製造する方法をご覧ください

航空宇宙産業では、3D プリント技術は特に微細な形状や複雑な形状の製造に適しています。ただし、このような複雑な形状を製造するには、寸法公差を満たし、優れた機械的強度を確保するために、構造戦略を慎重に検討する必要があります。

Renishaw の「金属 3D 印刷 - 積層造形設計ガイド残留応力設計推奨事項」によると、熱応力を排除するために、設計を通じて残留応力を可能な限り排除する、広範囲にわたる連続溶融を避ける、断面の変化に注意する、ハイブリッド処理により厚いベースプレートを積層造形部品に統合する、応力が高くなる可能性のある場所では厚い処理トレイを使用する、適切なスキャン戦略を選択するなど、いくつかの方法を試すことができます。

非対称対称ソリューション<br /> 製造戦略はまだ開発と改善が進められていますが、現時点では非対称コンポーネントを満足のいく形で実現することはできません。このような部品が積層造形法によって製造される場合、部品の一部が指定された許容範囲を満たさず、亀裂や寸法上の欠陥が発生するなど、不可逆的な冶金上の欠陥の存在がしばしば観察されます。特に、部品の非対称性とそれに伴う質量差により、部品の特定の領域に残留応力が蓄積され、部品の変形を引き起こします。残念ながら、これらの欠陥は許容できないことが多く、その結果、部品の製造が廃棄され、多大な損失が発生し、全体的な製造コストが高くなります。

市場調査によると、フランスのサフラン社は積層造形法で非対称部品を製造する方法を開発している。サフラン社が開発した方法には、以下のステップが含まれるとされている。
- 製造する部品のデジタルモデルを提供します。
- 構築方向に対してモデルの向きを調整します。
- 部品の製造時に発生する残留応力をバランスさせるように構成された犠牲バランス部品を追加してモデルを修正する。
- 修正されたモデルに基づいて、積層造形技術を使用して部品を層ごとに製造します。
- 減算的製造方法により犠牲部品を除去します。

市場調査によると、このアプローチでは、コンピュータ支援設計段階で、製造プロセス中に蓄積された残留応力、特にコンポーネント内の非対称性の潜在的なリスクを検出し、モデルの設計を修正して、より規則的でバランスのとれたものにすることで、製造中にコンポーネント内の残留応力がバランスされるようになります。

したがって、層ごとに製造する間、残留応力はコンポーネント内でより均一に分散されます。これにより、これらの残留応力がコンポーネントの特定の領域に集中し、コンポーネントの重大な変形につながる可能性のある特定のしきい値を超えることが回避されます。

市場観察に基づき、サフラン社はこの方法を前縁、後縁、翼型を持つブレード部品の加工にも適用しました。

残留応力は、レーザー粉末床溶融プロセスに固有の急速な加熱と冷却によって必然的に発生します。新しい各ビルド層は、集中したレーザーを粉末床全体に移動させ、最上層の粉末を溶かしてその下の次のビルド層に融合させることによって構築されます。熱い溶融池からの熱が下の固体金属に伝わり、溶融金属が冷えて固まります。このプロセスは非常に高速で、わずか数マイクロ秒しかかかりません。

新しい金属層は、下にある金属層の上面で固化して冷却されるにつれて収縮しますが、その収縮は下にある固体構造によって制限されるため、層間にせん断力が生じます。残留応力は破壊的です。機械加工された層を別の層の上に重ねていくと、応力が蓄積され、部品が変形したり、端が丸まったり、サポートから外れたりすることがあります。さらに極端なケースでは、応力が部品の強度を超え、コンポーネントに破壊的な亀裂が生じたり、ビルドプレートが変形したりすることがあります。これらの影響は、断面が大きい部品で最も顕著になります。このような部品は溶接ビードが長くなり、せん断力がより長い距離にわたって作用する傾向があるためです。

犠牲構造を追加するという Safran のアプローチに加えて、Renishaw の『Metal 3D Printing - Design for Additive Manufacturing』ガイドでは、スキャン戦略を変更する方法について詳しく説明しています。レーザートラックを使用して部品の中心を埋める場合、通常はレーザーを前後に動かします。このプロセスは「スキャン」と呼ばれます。通常、選択されたモードはスキャンベクトルの長さに影響し、したがって部品に蓄積される可能性のある応力のレベルに影響します。スキャンベクトルを短くする戦略を採用すると、それに応じて生成される残留応力が減少します。

最も一般的な 2 つのスキャン戦略は、薄壁部品用の「ジグザグ」スキャン (ラスタースキャンとも呼ばれます) と、断面が厚い部品用の「ストライプ」スキャンです。「チェス盤」または「島」スキャン戦略も効果的です。ストライプスキャンとチェッカーボードスキャンにより、各スキャンラインの長さを短くし、残留応力の蓄積を減らすことができます。

1 つの加工層から次の加工層に移動するときにスキャンベクトルの方向を回転させて、応力がすべて同じ平面に集中しないようにすることも可能です。多くのレイヤーが処理された後もスキャン方向が完全に繰り返されるように、各レイヤー間では通常 67 度の回転が使用されます。

出典: 3Dサイエンスバレー

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