[体験共有] 金属 3D プリントにおけるモデルの配置と方向付けのテクニック

著者: スリー・トライブス

SLM Solutions の中国代理店である Sande Tribe は、金属 3D プリントに関する技術記事を頻繁に執筆しており、Antarctic Bear はそれをすべてのクマ愛好家と共有します。 2018 年 5 月 27 日、Antarctic Bear は、Sande Tribe が「金属 3D 印刷におけるモデルの配置と方向付けのテクニック」というタイトルの技術記事を公開したことに気づきました。まずはこれを皆さんにシェアしたいと思います。

以前、金属印刷における残留応力を軽減する技術（元記事：金属3D印刷技術の分析：残留応力を軽減する方法）を紹介したところ、多くの注目を集め、いくつかの小規模な議論が巻き起こりました。また、非常に良い提案もいただきました。皆様、ありがとうございました！

今日は引き続き、金属 3D プリント時のモデルの配置と方向に関する考慮事項についてお話します。 3D プリントの成形プロセスは、Z 軸に沿って、つまり基板の方向に対して垂直に層ごとに累積成形するため、層間の関係が非常に重要です。新しい層が溶けると、次の層が物理的なサポートと熱伝導を提供する必要があります。

溶解とカンチレバー

レーザーが粉末層を溶かすと、粉末層の下に固体金属がある場合、熱が溶融プールから下層構造に伝達され、その下の固体金属が再溶解して強力な溶接が形成されます。レーザーが部品の残りの部分をスキャンすると、下にある固体金属部品によって熱が効果的に伝達されるため、ここの溶融池も急速に凝固します。部品にオーバーハングがある場合、溶接プールの下の領域の少なくとも一部は溶融していない粉末になります。これらの粉末の熱伝導率は固体金属よりもはるかに低いため、溶接プールからの熱がより長く保持され、周囲の粉末がより多く焼結されます。粉末の熱伝導率は非常に悪いため、カンチレバー部分の下の粉末に熱が蓄積され、この部分の粉末は十分に溶融せず、カンチレバー領域の底面に付着し、カンチレバー部分の下面が変形したり、表面粗さが非常に悪くなったりします。

図: 固体金属の上で粉末を溶かすと急速冷却が可能になります (左)。オーバーハング領域で粉末の溶融プロセスが発生すると、その下の未溶融粉末のために冷却に時間がかかり、余分な材料が部品の底面に付着する可能性があります。

配置

一般的に、水平に対して 45° 未満の角度を持つ部品には、サポート構造を追加する必要があります。この部分は通常、下面と呼ばれます。下面の表面粗さは、通常、垂直壁や上面よりも粗くなります。下の粉末の熱伝導性は悪く、溶融池の冷却速度が遅くなり、その結果、下の粉末が局所的に焼結します。焼結された粉末のこの部分は、部品の下面に付着します。このとき、部品の配置が特に重要になります。部品の配置は、タスク部品のパフォーマンスを最適化するだけでなく、印刷の成功を決定することもあります。部品の配置オプションが複数ある場合は、後処理を最小限に抑えて処理コストを削減するために、最も理想的な部品サポート配置を実現できるオプションを選択する必要があります。

図: 部品は通常、複数の方向に加工できます。配置方向の選択は、使用されるサポート材の量と必要な後処理作業の量に大きく影響します。
左から：

- 大きなオーバーハングがあり、大量のサポート材が必要（青で表示）

- サポートを減らすためにテーパーを追加する設計に変更すると、部品の質量が増加し、後処理/ワイヤーEDMが必要になる場合があります。

- 45 度の傾斜 - 1 つの極小点を除いてほぼ自立しています (詳細については以下を参照)。下面と上面の表面粗さは異なります

- 反転し、底部に短いサポートを配置 - 加工時間は短くなりますが、サポート面は後で細かく加工する必要があります

粉末床にしっかりと付着し、EDM除去に十分なストックを残す - 残留応力が問題になる可能性がある

- 以前のアプローチと似ていますが、取り付け面積が少なく、応力の蓄積が軽減されます。これは、製造の観点から最も効率的な設計である可能性があります。

そのため、部品を印刷する際には、まず部品の配置を決定し、決定した配置位置に基づいて部品の後続の設計処理を行う必要があります。

極小値

局所的最小値とは、その下の溶融粉末層に接続されていない部品上の領域のことです。これらの領域は、加工中に所定の位置に保持するためのサポートが必要です。下部にサポート構造がない状態で加工を開始すると、スクレーパーが次の層を加工するときに最初の加工層がずれ、加工に失敗する可能性があります。

△部品の端面と交差する水平穴または傾斜穴の上部
フィーチャの配置方向

前述の通り、下面の表面粗さは非常に悪くなります。したがって、高精度が要求される部品を製造する場合、高精度の要件または合わせ面を上面に配置するように最善を尽くす必要があります。下面の部品フィーチャの精度が失われる可能性があるためです。あるいは、高精度が求められる箇所に許容値を追加し、後で機械加工を使用してフィーチャの精度を確保することもできます。

もう 1 つの考慮事項は、スクレーパーに対する部品の向きです。新しい粉末層を追加する場合、スクレーパーは粉末を粉末床に広げ、粉末はスクレーパーによって徐々に圧迫され、新しい粉末層を形成します。材料が押し出されると、粉末床に圧力波が発生します。この圧力波は、スクレーパーに向かって傾いている部品の表面と相互作用し、粉末を下方に押し、部品の先端を上方に押します。これにより、部品がスクレーパーに引っ掛かり、プロセスが失敗する可能性があります。柔軟なスクレーパーを使用すると、この影響が軽減されます。しかし、フレキシブルスクレーパーが必ずしも優れているというわけではありません。フレキシブルスクレーパーとリジッドスクレーパーのどちらを選択するかは、プロセス、材料、粉末散布モードによって異なります。

ベベルとサポートは、可能な限りスクレーパーに対して斜めに配置する必要があります。部品を回転させると、圧力波が斜めの角度で部品に当たるようになり、部品が変形する可能性が低くなります。回転して位置を調整できない場合、または部品が回転対称である場合は、サポートを追加する必要があり、影響を受ける機械加工面には後処理が必要になることがあります。

配置の提案

印刷の成功が最優先です！

積層造形部品の加工および配置方向は、設計者にとって明らかである必要があります。

配向は残留応力と表面粗さの両方に大きな影響を与えます。

配置方向は処理コストと処理時間に大きな影響を与えます。

複雑な構造の部品を配置して完璧さを実現するには、サポート、表面粗さ、処理時間、コスト、詳細のバランスを取ることが難しく、エンジニアが独自の選択を行う必要があります。結局のところ、ケーキを食べて、それを残しておくことはできません。しかし、テクノロジーを活用すれば、目標にできるだけ近づくことができます。

つまり、部品の配置は積層造形プロセスの非常に重要な部分であり、配置の問題を克服するためにサポートに頼るのは理想的な積層造形プロセスではありません。サポートコストや後処理を許容できたとしても、量産時には重大な問題を引き起こし、このような無駄は量産時には許容されません。

金属3Dプリント技術について詳しく知りたい方は、Sande TribeのWeChat公開アカウントi-3dproをフォローしてください。

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