付加製造技術: 製品品質の一貫性と信頼性を向上させる方法

3D 印刷技術は、ラピッドプロトタイピング技術の一種です。デジタルモデルファイルに基づいて、エンジニアリングプラスチックや金属粉末などの材料の接着特性を利用して、層ごとに印刷することでオブジェクトを作成します。この技術は、CAD/CAM技術、CNC技術、レーザー加工技術、新素材などの技術分野の最新の成果を統合した部品プロトタイプ製造技術であり、新しいタイプの加工技術です。従来の「減算製造」機械加工方法とは異なり、「材料を層ごとに積み重ねる」革新的な加工方法を採用しており、3次元モデル図面を3次元の実体に迅速かつ正確に変換できます。

この技術は、製品の製造手順を大幅に簡素化し、製品開発サイクルを短縮し、研究開発の効率を向上させ、コストを削減することができます。これは、過去20年間の製造分野における主要な技術的成果と見なされていました。この記事では、レーザー焼結を使用した金属粉末床溶融結合プロセスに基づいて、製品/部品が関連する仕様要件を確実に満たすために実装する必要がある基本的な手順のいくつかについて説明します。

初期段階で注意すべきこと レーザー溶融プロセスには 150 を超える変数が考えられます。そのため、印刷製品の一貫した信頼性の高い品質を確保するには、これらの変数をチェックし、最も簡単に制御できる変数を考慮することが非常に重要です。

変数のソースには、以下のものが含まれますが、これらに限定されません。
装置の光学部品機械に使用される成形材料。
部品の位置と向きを印刷します。
印刷環境等

ここでは、成形プロセス全体のさまざまな段階で考慮すべき要素をいくつか示します。推奨されるベストプラクティスは、考えられるすべての潜在的な問題のチェックリストを保持することです。

1 原材料 原材料（金属粉末）は、成形プロセスの成功と最終的な印刷部品の品質に大きな影響を与えます。装置のオペレーターは、使用される原材料の特性が、材料の粒度分布、密度、化学組成、流動性など、積層製造プロセスの関連要件を満たしていることを確認する必要があります。

部品メーカーは通常、プリンター OEM から金属粉末を購入します。これは、この方法でのみ、部品メーカーと機器メーカーがより優れた修理/メンテナンスパートナーシップを確立できるためです。ただし、一部の金属印刷用粉末は、経済的コストの一部を削減するためにサードパーティのサプライヤーから購入することもできます。

サードパーティの粉末サプライヤーと連携する場合は、操作上の事故が発生した場合に、機器メーカーが機械の保証を一方的に無効と宣言しないことを確認してください（一部のプリンター機器メーカーは、ユーザーに自社が提供する印刷材料のみを使用することを要求しているため、そうでない場合、機器に障害が発生すると、ユーザーが全責任を負うことになり、機器が保証期間内であっても、機器メーカーは無料の修理サービスを提供しなくなります）。

したがって、サードパーティの素材を使用する前に、デバイスの製造元に相談して承認を得てください。これらは、サードパーティの印刷粉末材料がマシンの要件を満たし、積層製造プロセスに必要な特性を備えているかどうかを判断するのに役立ちます。

材料を受け取ったら、合金名、材料サプライヤー、材料の一貫性/分析証明書、関連するテストレポートなどの印刷された材料の詳細を必ず確認し、記録してください。成形プロセス全体に関する詳細な情報は、プロセス全体の一貫性を向上させるのに役立ちます。

2 粉末材料の保管と取り扱い 金属印刷用粉末材料をサプライヤーから受け取ったら、適切に取り扱い、保管する必要があります。適切な取り扱いには、粉末の名前やバッチなどの重要な情報を記録し、湿度が適切かつ管理された状態で粉末を保管することが含まれます。粉末は元の容器に保管するのが最善であることは言うまでもありません。

元の容器を開封した日付も記録する必要があります。この情報を正確に記録し、プロセス全体を通じて適切に保管しておくことは、材料情報の高度なトレーサビリティを保証するために非常に重要です。粉末は、酸素や水素などの不純ガスによる汚染や偶発的な吸収を避けるために、清潔で湿気のない環境で取り扱う必要があります。

粉体を取り扱う際は、作業者に危害を及ぼすだけでなく、超微粒子による粒子雲により爆発につながる状況を引き起こす可能性があるため、すべての安全要件を遵守してください。物質安全データシート (SDS) は、各粉末材料の詳細な安全取り扱い要件を規定した文書であり、危険な作業に携わる可能性のあるすべての人にとって優れた参照基準となります。

3 原材料の特性評価 原材料の性能特性については、原材料の基本的な物理的性質や試験条件など、メーカーから供給される粉末の特性に関する詳細な情報が記載されているため、サプライヤーから提供される材料データシートをよく参照してください。ただし、サプライヤーから提供される情報は包括的ではない可能性があるため、機器で使用する前に粉末の特性を評価し、結果を文書化することが重要です。

原材料の特性を明らかにすることで、材料の化学的および物理的特性についてさらに理解を深めることができ、それを製造部品の特性と比較できるようになります。これを全体的なプロセスの不可欠な部分にすることで、印刷された部品に対するプロセス特性の影響を効果的に評価できるようになります。

材料特性評価には、主に化学分析、粉末サイズ分布の決定、粉末形態、密度分析、流動特性が含まれます。さらに、粉末状の原材料は、存在する可能性のある凝集物や不純物を除去するためにふるいを通して濾過する必要があります。ふるい分けを行う前に、材料が適切にふるい分けられるように、材料の粒子サイズに応じてスクリーンが適切に調整されていることを確認する必要があります。

要件を満たす 4 つのプリンター 印刷装置のインストール検証を実行すると、プロセス装置が印刷部品の適切な仕様要件と設計意図を満たしていることを確認できます。デバイスが準拠するには、デバイスが製造元の使用要件を満たしているだけでなく、デバイスが使用される環境が以下に説明するように適切に準備されていることも確認する必要があります。

装備の準備 残留不純物が機械に付着して印刷プロセスを汚染し、その後の生産に影響を及ぼす可能性があるため、機器を清潔に保つことは非常に重要です。さらに、装置内に水分が存在すると、印刷された部品の引張強度が低下するなど、製品の性能にも悪影響を及ぼします。機器が清潔で乾燥していることを確認することは、最終的な印刷部品の品質にとって非常に重要です。

印刷素材を選択してください 反りを防ぐために、印刷部分の厚さに基づいて適切な厚さの印刷基材を選択してください。また、以前の印刷で基材に反りや変形がないか確認することも必要です。印刷対象物が清潔で滑らかであることを確認してください。そうであれば、次のステップ、つまりビルドプラットフォームにビルドプレートを取り付ける準備が整いました。最後に、印刷した基材の寸法や表面状態などの情報を記録するだけです。

電源 印刷プロセス全体を完了するのに十分なガスがあることを確認してください。印刷プロセス中にガスがなくなると、最終的な印刷部分に悪影響が出ます。次に、圧力計を適切に設定し、プリント基板の温度とプリントチャンバーの周囲温度を適切に調整して、プリントチャンバー内の不活性ガスの流れを確認します。

最終チェック アプリケーターを確認してください。アプリケーターの刃が破損すると、パウダーが不均一に塗布されてしまいます。これは、粉末をプラットフォーム上に均等に広げて確認することで確認できます。粉末が適切に覆われていることを確認するには、この作業を数回繰り返す必要があります。次に、酸素センサーが正常に機能しているかどうかを確認し、マシンと制御ソフトウェア間の他のすべてのインターフェイスが適切に接続されているかどうかを確認します。

最後に、粉末ホッパーをチェックして、印刷プロセス全体を完了するのに十分な粉末があることを確認します。これを行わないと、印刷中に機械が突然停止し、印刷された部分が不完全になってしまう可能性があります。また、機器の保守記録、校正記録、予防保守計画書等は保管し、今後の参照のために適切に保管してください。

ベストプラクティス プロセス全体に対する最善のアプローチは、プロセスの各段階で発生する可能性のあるリスクを特定できる、完全かつ包括的な手順を開発してそれに従うことです。実際の運用では、遭遇したリスクが記録され、対応する軽減計画が策定されます。さまざまな処理手順における変化と、これらの変化が部品の品質にどのように影響するかを理解します。これらはプロセス全体を最適化するために重要であり、印刷プロセス全体を通じて不必要なエラーや不正確さを最小限に抑えるのに役立ちます。

出典: WeChat公式アカウント「物理化学試験-物理」

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