【分析】金属3Dプリント技術の分析:残留応力の低減方法

【分析】金属3Dプリント技術の分析:残留応力の低減方法
著者: Tribe of Three

金属3Dプリンティングは近年急速に発展し、航空宇宙、自動車、医療などさまざまな業界で徐々に使用されるようになりました。その利点は、軽量でパーソナライズされた部品設計を実現できること、および従来の処理および製造方法では解決できないいくつかの技術的問題を解決できることです。ただし、技術的な観点から見ると、3D 印刷プロセスには、設計を期待どおりに印刷できない問題が多数あります。残留応力、部品の配置、サポート、部品の最適化などの理由があります。そこで今日は、残留応力が金属 3D プリントプロセスに与える影響と、それを回避する方法について詳しく説明します。


残留応力: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。
レーザーは固体基板上の金属を溶かして新しい溶接ビードを形成します (左)。レーザーはスキャン 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、その層と次の層の間にせん断力が生じる(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る可能性があります。


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。これらの状況は、通常、大きな断面積を持つ部品で発生し、大きな界面のためにせん断力がより長い距離にわたって作用し、部品または基板の変形を引き起こします。


最適化されたデザイン<br /> このような状況では、まず設計時に応力の問題を考慮する必要があります。つまり、設計を最適化し、大面積の連続焼結を回避するようにする必要があります。より厚い基板を選択するようにしてください。基板の加熱によっても、このような問題を軽減できます。たとえば、316L ステンレス鋼材料を印刷する場合、ほとんどのメーカーの加熱温度は 80 ℃ です。

スキャン方法を変更する<br /> レーザーを使用して基板上に金属粉末を焼結する場合、レーザーは特定の経路と形状に沿って部品を充填します。通常、このプロセスにはレーザーを前後に動かすスキャンと呼ばれるプロセスが含まれます。スキャン方法には、ストライプスキャン、内部および外部スパイラルスキャン、傾斜パーティションスキャンなど、さまざまな方法があります。

斜めのパーティションスキャンを例に挙げてみましょう。このタイプのスキャンは、印刷時にほとんどのパーツをスキャンする方法でもあります。レーザースキャンの方法を変更し、ある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で、部品の残留応力を軽減できます。通常、各層は 67 度回転して、多くの層が処理された後にスキャン方向が完全に繰り返されるようにします。

上記は残留応力を改善するために一般的に使用されるいくつかの方法ですが、これらの方法は印刷プロセス中の改善にのみ適用されます。最善の解決策は、設計プロセス中に残留応力の問題を考慮して回避することです。



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