積層造形法による高品質金属部品の製造

すべての製造プロセスと同様に、積層造形にはいくつかの変数が関係しますが、その 1 つが粉末材料の化学的性質です。航空宇宙業界では現在、航空機の安全上重要な部品や一部の重要でない飛行部品の製造に金属付加製造技術（一般に 3D プリントと呼ばれる）をますます多く使用しています。この方法を使用すると、開発サイクルを短縮し、製品をより早く市場に投入することができます。さらに、この方法は、初期段階では実現が難しい設計意図の実現にも役立ちます。

他の 3D 印刷方法と同様に、金属付加製造技術、特に選択的レーザー溶融 (SLM) と電子ビーム溶融 (EBM) では、レーザーまたは堆積の形で他の熱源を使用して金属粉末を溶融することにより、層ごとに部品を構築できます。
より良い部品を作る方法
3D プリント粉末の物理的特性は重要な影響要因です。走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用すると、粉末の形状と表面形態を効果的に明らかにすることができます。

高品質の 3D プリント金属部品を製造するには、部品の製造に使用される粉末の特性を理解するとともに、部品自体の強度と化学特性を分析する必要があります。信頼できる独立した試験機関と協力することで、粉末の特性評価から航空宇宙産業の要件を満たす部品を製造するための最適な試験の決定まで、3D 印刷プロセス全体についてより深い洞察を得ることができます。

積層造形技術の利点<br /> 付加製造は、部品の迅速な試作に使用できるほか、他の加工方法に比べて部品の金型やパターンなどをより迅速かつ経済的に作成する方法としても使用できます。その最大の利点の一つは、非常に複雑な形状の部品を製造できることです。

これまで、複雑な部品は、複数の異なる機械加工作業を同時に必要としたり、複数の構成部品から組み立てられたりする必要がありました。金属積層造形により、従来は溶接や締結システムを使用して組み立てられていた複数の部品を、単一の部品に置き換えることが可能になります。これにより、製造がより速く、より安価になり、製品仕様がより一貫したものになるだけでなく、パフォーマンスが向上し、不良品が少なくなるシームレスな部品も生産されます。

規格と認証<br /> 金属付加製造は航空宇宙産業においてはまだ比較的新しい技術であるため、標準と認証はまだ開発中です。鋳造や鍛造などの従来の技術を使用して製造された金属部品は長年にわたって研究されており、航空宇宙用途向けに開発されたデータベースがあります。ただし、3D プリントを使用して製造された部品については、この新しい技術を使用して製造された部品が技術的および商業的観点から飛行条件にどのように反応するかを理解するために、新たな研究と検証が必要です。

米国では、積層造形法で製造された航空機部品は、連邦航空局 (FAA) による個別の認証を受ける必要があります。このプロセスには特定の 3D プリンターと粉末組成の要件が含まれるため、メーカーが大規模生産に移行するのは困難です。しかし、より多くの標準が確立されるにつれて、航空宇宙産業が 3D 金属印刷技術を大量生産に導入することが容易になります。

いくつかの標準規格はすでに公開され始めており、今後 1 ～ 2 年でさらに多くの標準規格が完成する予定です。たとえば、NASA は最近、マーシャル宇宙飛行センター (MSFC) 技術標準規格を公開しました。この標準規格は、レーザー粉末床融合技術を使用して信頼性の高い航空宇宙部品を製造するための参照フレームワークを提供します。 SAE 国際付加製造委員会 AC7101 は、付加製造技術で使用される航空宇宙材料のプロセス仕様を開発しており、その一部は今年中に公開される予定です。 SAE 仕様は、最終的には、前駆材料、化学、AM プロセス、システム要件、後処理材料、前処理と後処理、非破壊検査、品質保証をカバーする予定です。

昨年、付加製造に関する ASTM 委員会 F42 は、付加製造に携わる企業が、主に航空宇宙および防衛産業の企業間の共同プログラムである National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program (Nadcap) によって確立された認定チェックリストに準拠するのに役立つ 15 の新しい標準案を発表しました。

いくつかの規格がより堅牢になり、印刷プロセスと機械がより高度になるにつれて、積層造形がより多くの分野で広く採用されることが期待できます。

引張試験中に微小亀裂が見られることもありますが、それほど一般的ではありません。

民間のテストラボを使用する理由は何ですか?
規格や認証は変化し続けているため、金属 AM 技術を使用する独立した商用試験機関が非常に役立ちます。たとえば、独立した試験機関は、FAA の検証に必要な包括的な試験文書を提供できるため、部品を一貫して仕様どおりに製造することができます。

独立した試験機関は、さまざまな試験装置と専門知識を有しています。専門的な装置や機器を運用できるだけでなく、試験方法を開発し、試験結果を解釈することもできます。さらに、独立した試験機関を利用することで、標準が成熟した後にあまり役に立たなくなる可能性のある高価な試験装置を購入したり、使用方法を習得したりする手間を省くことができます。

独立した試験研究所と連携して、金属付加製造技術の最適な試験方法を常に把握し、標準の開発に積極的に参加することで、社内試験に使用する適切な機器の種類を決定し、相関研究を通じて技術サポートを受けることで、社内試験結果の精度と安定性を高めることができます。

高品質の粉末から高品質の部品が作られます<br /> すべての製造プロセスと同様に、付加製造にはさまざまな変数が関係します。テストは、原材料、3D プリンター、および使用される正確なプロセスの変更が最終的な印刷製品にどのように影響するかを特定し、定量化するのに役立ちます。プロセス変動の原因と、どの原因が最も重要であるかを理解することで、それらの変動を最小限に抑える制御を実装できます。

変動の原因の 1 つは、粉末の化学的性質です。各粉末サプライヤーはさまざまな方法で粉末を改良できるため、3D プリンターの電力要件と印刷速度をそれに応じて調整できるように、粉末の化学特性と特性を理解することが重要です。微量元素は金属凝固プロセスにおいて重要な役割を果たすため、粉末中の主要元素だけでなくガスや微量元素の含有量を分析することは非常に重要です。社内での研究開発が進むにつれて、サービスプロバイダーは粉末の化学と特性をより深く理解し始め、それらを 3D プリンターの種類や処理パラメータと関連付けて、特定の製品の印刷に役立てるようになります。

化学的性質に加えて、粉末の物理的性質も重要な考慮事項です。走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用すると、粉末粒子の形状と表面形態を明らかにすることができます。流動性が良好で、粒度分布が狭く、サイズが均一で、化学純度が高く、酸素含有量が低い金属粉末は、より高品質の金属部品を生産する傾向があります。

金属粉末は一般的に非常に高価であり、3D 印刷中に部分的にしか溶けないため、粉末の再利用は積層造形でも非常に一般的です。しかし、粉末を再利用すると、化学的性質が変化します。たとえば、一部の粒子は酸化され、レーザー焼結プロセス中に分解された小さな粉末粒子が集まって粉末凝集体を形成することがあります。したがって、粉末を再利用できるかどうか、また再利用できる回数はどれくらいか、あるいは処理パラメータを調整する必要があるかどうかを理解するために、粉末の特性を分析することが非常に重要です。バージン粉末の化学組成を変更すると、再利用粉末の特性が向上する場合があります。さらに、再利用された粉末で作られた部品の特性を調べて、強度やその他の機械的特性が元の粉末で印刷された製品のものと異なるかどうかを判断する必要があります。このプロセスは非常に時間がかかりますが、原材料の利用率を大幅に向上させ、材料コストを削減するなど、大きなメリットを生み出すことができます。

印刷された部品のテスト<br /> 3D 金属印刷を使用する製造業者は、部品を印刷する前に、使用している印刷機が適格であることを確認する必要があります。これには、機械を使用して製造された部品の材料強度がバッチごとに一貫しており、製造された部品のさまざまな場所で同じであることを認証機関に実証することが含まれます。たとえば、箱を印刷する場合、角の材料強度は箱の中央と同じでなければなりません。このタイプの解析では、印刷された部品のさまざまな場所で材料をテストすることにより (引張テストなど)、3D 印刷された部品の機械的強度を検証できます。もう 1 つの考慮事項は、最終部品の特性が異方性でなければならないということです。 3D プリントは材料の層状の堆積に依存しているため、異なる方向で測定すると、これらの部品の一部の物理的特性が異なる場合があります。このため、さまざまな印刷方向での強度もテストすることが重要になります。

特に航空宇宙やその他の重要な産業用途において注意すべきもう 1 つの重要な要素は、金属堆積プロセス中に微小亀裂が形成される場合があることです。これらの小さな亀裂は、着陸や離陸などのストレスを受ける可能性のある部品の表面で重大な問題に発展する可能性があります。この圧力は亀裂部分で 5 倍になり、応力集中効果を引き起こし、部品の正常な使用に影響を及ぼします。材料仕様の範囲内で粉末の化学組成を調整すると、微小亀裂の発生を防ぐことができます。

規格や認証は変化し続けているため、金属付加製造に関する独立した商用試験機関と連携することは非常に有用です。

引張試験の結果として微小亀裂が現れることもありますが、常に現れるわけではありません。堆積印刷された部品の顕微鏡分析を使用すると、亀裂を特定し、多孔性やその他の弱点（たとえば、金属粒子が融合したときに形成される細孔）を評価することができます。金属 3D プリント部品の微細構造は、従来の減法製造方法で作られた部品 (同じ材料) とは異なるため、資格のある独立した試験機関に相談し、微細構造の欠陥を探す専門知識を持つことが重要です。

これは、航空宇宙産業における金属付加製造のための刺激的で急速に変化する技術です。信頼できる独立した試験機関と協力することで、変化する基準を理解し、粉末特性と処理パラメータを最適化して、より高品質の 3D プリント部品を製造する方法を学ぶことができます。

出典: qualitymag

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