実用情報 | 金属3Dプリントの歩留まりに影響を与える要因の分析

完璧な製品を印刷するには、プロセス手順を厳密に管理する必要があります。次の編集者は、金属 3D プリントの歩留まりに影響を与える 3 つの主要な要素、つまり原材料、プロセスパラメータ、残留熱応力を紹介します。

原材料および消耗品<br /> 金属 3D プリントはアルゴンガスで満たされたチャンバー内で行われ、レーザースキャン中に酸化物が生成されないように酸素含有量は 100 ppm 未満です。さらに、3D プリントに使用される金属材料には、純度、球形度、粒度分布、酸素含有量に関して厳しい要件があります。現在市場で一般的な金属材料には、チタン合金、ステンレス鋼、コバルトクロム合金、ニッケル基合金、アルミニウム合金などがあります。金属基板の材質と厚さも、印刷製品の品質と精度を決定します。基板の厚さを厚くし、基板温度を上げることで、造形物の反りを大幅に抑制し、造形物の寸法精度を向上させることができます。

プロセスパラメータがエネルギー密度入力に与える影響<br /> 最終的な部品は、層ごとに溶かして作られます。各層が溶けるごとにプラットフォームが下降し、新しい粉末が層の上に広げられ、このプロセスが繰り返されます。実際の成形原理は、レーザーが一定のエネルギー密度のエネルギーを粉末層に入力し、スキャン領域の粉末が溶融状態に達することです。粉末が受け取るエネルギー密度は、スキャン速度、スキャン間隔、スキャン電力など、レーザーによって入力され、焼結プロセス中に制御されるパラメータに関連しています。レーザーのエネルギーは金属粉末の表面に溶融池を形成し、溶融池は周囲の粉末の成形効果に影響を与えます。

レーザーは、特定のパターンと方向に従って溶融する必要がある成形領域をスキャンし、異なる材料に応じて走査パスを合理的に標準化します。スキャン領域をストリップ、チェス盤などに分割すると、部品の内部応力を効果的に解放でき、各層のスキャンベクトルを計画することで、溶解プロセス中に発生する応力値を低減できます。

選択溶融のプロセスでは、次の側面を通じて最終製品の性能を向上させることができます。以下は、同じ材料を異なるスキャン距離で拡大した画像です。スキャン距離が一定の範囲まで増加すると、非常に明白な内部欠陥が現れることがわかります。

ハッチライン (ハッチ間隔: レーザー溶融における 2 つの隣接する平行線間の距離を制御するスキャン間隔)

スキャン間隔を大きくすると成形効率が大幅に向上しますが、溶融池の範囲は制限されます。間隔が大きすぎると、クラッド幅の重なり率が小さくなりすぎます。ひどい場合には、図3に示すような効果が発生し、成形部品に内部欠陥が発生します。ライン間隔が不十分な場合、局所的な熱の蓄積が発生し、熱変形が増加します。

レーザー出力とスキャン速度もエネルギー密度を決定するコアパラメータです。エネルギー密度の入力が小さすぎると、金属粉末が十分に焼結されず、溶融が不十分になり、焼結層間に残留隙間が発生します。エネルギー密度の入力が大きすぎると、大量の金属粉末が蒸発して残留物が飛び散り、焼結温度が高すぎて熱変形が発生し、表面の球状化が増加し、表面が不均一になります。

スポットは大きすぎることはできません。同じエネルギー密度では、スポットの直径が大きくなるにつれて、エネルギーは上面に集中します。各層の下の粉末はレーザー溶融池によって効果的に溶融できず、部品の品質に直接影響します。部品の垂直方向の引張強度が低下し、ひび割れが発生しやすくなります。要約すると、理想的な印刷効果を実現するには多くの要素を考慮する必要があります。より適切なプロセスを継続的に模索することによってのみ、最高の金属 3D 印刷ソリューションを提供し、さまざまな高度な製造分野で積層造形技術をさらに推進することができます。

残留熱応力:
次に、誰もがよく知っている残留応力があります。残留応力は、急速な加熱と冷却によって必然的に生じるもので、レーザー粉末溶融プロセスの固有の特性です。

熱応力発生のメカニズムの図。レーザーは固体基板上の金属を溶かして新しい溶融池を形成します (左)。溶融プールはスキャンベクトルに沿って移動し、粉末を溶かします。その後、粉末は下の固体金属に熱を伝達して冷却を開始します。凝固後、冷却された金属は収縮し、その金属層と次の層の間に収縮応力が生じます (右)。
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ると、応力が蓄積して部品が変形し、エッジが丸まってサポートから外れる可能性があります。また、基板にフィットする大きな下面の場合は、部品のエッジが基板から外れます。さらに極端な場合には、応力が部品の強度を超え、部品の破壊的な亀裂や基板の変形を引き起こす可能性があります。

このような状況は、通常、断面積が大きい部品で発生します。断面積が大きいため、残留熱応力が高くなりすぎて、部品がひどく変形したり、割れたりする原因になります。
このような状況では、まず設計時に応力の問題を考慮し、部品の変形の度合いを減らすために大面積の連続焼結を避けるようにする必要があります。より厚い基板を選択して、応力集中領域の構造強度を高め、部品の亀裂の程度を減らします。

レーザースキャンの方法を変更することで、部品の残留応力を軽減することもできます。 1 つの処理層から次の処理層に移動するときに、スキャンベクトルの方向が回転します。この方法では、応力が同じ平面に集中することはありません。通常、各層は対応する角度で回転し、多くの層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し、最終的に応力が均等に分散されるようにします。

出典: Insight.com

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