金属 3D プリント - 積層造形のための設計ガイド

粉末床溶融金属 3D 印刷技術は、自由な形状と複雑な機能を持つ部品を自由に構築できます。高価な処理ツールを使用せずに、CAD データから直接完成品を製造できます。従来の方法でこれらの複雑な部品を製造することは非現実的であり、不可能でさえあります。積層造形法を使用して製造された部品は、多くの場合、より軽量で、より効率的で、より優れた性能を発揮します。しかし、この柔軟性により、少なくともコストの制約内では、任意の形状を設計できるということではありません。

この点に関して、英国の金属 3D プリント専門企業 Renishaw は、一連の積層造形設計ガイドラインをまとめました。他の製造プロセスと同様に、積層造形にも独自の利点と制限があります。たとえば、レーザー粉末床溶融結合法で作られた部品にオーバーハング、つまり溶融していない粉末の上で溶融物が処理される領域がある場合、プロセスを正常に完了するために、1 回限りのサポートを設計する必要がある場合があります。これらのサポートにより、加工時間が増加し、より多くの材料が消費され、削除するための追加の後処理が必要になります。

機能的に最適化されたパーツ 機能性が最適化されているが、積層造形 (AM) 用に設計されていない部品は、広範囲のサポートが必要になる可能性があり、製造効率が悪くなります。
出典: Renishaw したがって、手頃な価格と実用性を維持しながら積層造形技術を使用して高性能部品を製造するには、積層造形向け設計 (DfAM) が不可欠です。以下では、積層造形プロセスの成功と生産性を向上させる主な要因を検討し、効率的な生産部品を開発する際に設計者が従うべき重要なガイドラインについて説明します。

要因: 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。

図: レーザーが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ます (右)。出典：Renishaw 残留応力は破壊的となる可能性があります。機械加工された層を別の層の上に重ねると、応力が蓄積され、部品が変形したり、端が丸まったり、サポートから外れたりする可能性があります。
出典: Renishaw より極端なケースでは、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ビルドプレートの変形を引き起こす可能性があります。
出典：Renishaw これらの影響は、断面が大きい部品で最も顕著になります。断面が大きい部品では溶接ビードが長くなり、せん断力がより長い距離にわたって作用する傾向があるためです。

残留応力を最小限に抑える この問題に対処する 1 つの方法は、スキャン戦略を変更し、部品の形状に最適な方法を選択することです。部品の中心をレーザートラックで埋めるときは、通常、レーザーを前後に動かします。このプロセスは「スキャン」と呼ばれます。選択するモードはスキャンベクトルの長さに影響し、部品に蓄積される可能性のある応力のレベルにも影響します。スキャンベクトルを短くする戦略を採用すると、生成される残留応力もそれに応じて減少します。

迂回スキャンモード
- 各レイヤーのスキャン後に67°回転
- 高い処理効率
- 残留応力が徐々に増加する
- 小型で薄い機能に適しています

ストライプスキャンモード
- 残留応力が均等に分散
- 大型部品に適しています
- チェスボードスキャンモードよりも処理効率が高い

チェッカーボードスキャンモード
- 各層は5x5mmの島に分割され、各層をスキャンした後、全体のパターンと各島は67°回転します。
大型部品の均一な残留応力分布: スキャン戦略とそれに適したさまざまな部品タイプ。最も一般的な 2 つのスキャン戦略は、薄壁部品用の「ジグザグ」スキャン (ラスタースキャンとも呼ばれます) と、断面が厚い部品用の「ストライプ」スキャンです。「チェス盤」または「島」スキャン戦略も効果的です。ストライプスキャンとチェッカーボードスキャンにより、各スキャンラインの長さを短くし、残留応力の蓄積を減らすことができます。出典：Renishaw また、あるビルドレイヤーから次のビルドレイヤー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もできます。多くのレイヤー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、各レイヤー間では通常 67 度の回転が使用されます。ビルドプレートを加熱することも残留応力を軽減するために使用される方法であり、後処理の熱処理によっても蓄積された応力を軽減できます。

「残留応力設計の推奨事項」
- 可能な限り設計により残留応力を排除する
- 広範囲にわたる継続的な溶解を避ける
- 断面の変化に注目してください
- ハイブリッド処理により、より厚いベースプレートを積層製造部品に統合
- ストレスが高くなる可能性がある場合は、より厚いビルドプレートを使用する
- 適切なスキャン戦略を選択する

要因: 方向 あらゆる積層造形プロセスにおいて、加工方向は常に Z 軸に沿って、つまりビルドプレートに垂直に定義されます。加工方向は必ずしも普遍的ではないことに注意してください。方向は、サポート材料を最小限に抑えるか、またはサポート材料なしで最も安定した部品を生産できるように選択する必要があります。

オーバーハングと溶解プロセス 粉末床加工では、形状が層ごとに構築されるため、層同士の関係が非常に重要です。各層が溶けるにつれて、その下の層が物理的なサポートと熱放散の経路を提供する必要があります。

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れば、熱が溶融プールから下層構造に伝達され、固体金属の一部が再び溶かされ、強力な溶接が形成されます。レーザー光源が遠ざかると、熱が効果的に伝達されるため、溶融池は急速に凝固します。

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。その結果、余分な材料が張り出した部分の下側に付着し、張り出した構造が変形して表面が粗くなる可能性があります。

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。ソース：レニショー
配置方向の選択 一般的に、ビルドパレットに対して 45 度未満の角度を形成するオーバーハングにはサポートが必要です。張り出した表面は地下表面と呼ばれます。一般的に、垂直の壁や上向きの表面よりも表面が粗くなります。この効果は溶融池の冷却が遅いために発生し、オーバーハング構造の下の粉末が局所的に焼結します。

通常、部品の機械加工を複数の方向で完了することが可能です。加工コストと後処理を最小限に抑えるには、部品の最適な自立を可能にする方向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
- 底部に短いサポートを付けて反転 - 加工時間は短くなりますが、サポート面は後で仕上げる必要があります粉末ベッドにしっかりと取り付けられているため、EDM除去用のストックが残ります - 残留応力が問題になる場合があります
- 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。
- 最後の方法 (図示せず) は、部品をパレットの上に平らに置くことです。これにより、ビルドの高さは低くなりますが、ビルドパレットに配置できる部品の数も制限され、残留応力が大きくなる傾向があります。ソース：レニショー

部品設計プロセスの早い段階で加工ソフトウェアを使用してさまざまな方向を評価し、最も効率的なアプローチを決定するのが最適です。決定が下されると、それに基づいて詳細な設計を進めることができます。

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。

出典: Renishaw 上記の例に示すように、局所的最小値は非常に明白です。また、パーツのエッジと交差する側面の穴や斜めの穴の上部にも表示されることがあります (下の例を参照)。
出典: Renishawフィーチャーの方向 前述のように、下面層の表面仕上げは一般的に劣っています。詳細な特徴を最高の精度で生成したい場合は、これらの特徴を部品の上面、つまり上面層に配置するのが最適です。下層の表面に埋め込まれた詳細な特徴は精度が失われる可能性があります。

もう 1 つの考慮事項は、粉末投与ブレード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、新しい高密度層を形成します。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を軽減できることに注意してください。
図: 粉末投与ブレードと部品のベベルエッジ間の相互作用。 Source Renishaw Design for Metal Additive Manufacturing - はじめに - 回転調整サポートとベベルエッジをスクレーパーからできるだけ離れた位置に配置します。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。
「配置デザインの提案」
- 積層造形用に設計された部品の加工方向は明確でなければならない
- デザイナーは自立したデザインを作ろうとするべきである
- 処理の成功が第一の考慮事項
- 残留応力と表面仕上げも配置方向によって影響を受ける重要な要素です
- 向きによって処理時間とコストが変わる
- 複雑な形状の部品は位置決めが容易ではない場合があります。表面品質、詳細、加工時間/コスト、サポート構造の間でトレードオフが発生することがよくあります。
- デザイナーは配置方向を決定するために競合要因を評価する必要がある

要因: サポート 前述したように、方向の問題を克服するためにサポートに頼るのは、良いエンジニアリングの実践ではありません。試作品の部品を製造する際には、余分な加工時間と後処理コストを許容できるかもしれませんが、積層造形部品を大量生産する場合、そのような無駄は許容されません。サポートに過度に依存すると、部品の形状が「十分に強度がない」ことを示し、歩留まりに影響を及ぼす可能性があります。

サポート目的 サポートを最小限に抑えるように設計することはできますが、サポートを完全に排除することが常に可能であるとは限りません。サポートには主に 3 つの機能があります。

出典: Renishaw 分離材料 - サポートは、前の層に接続されていない材料 (つまり、ビルドプレートから 45° 未満のオーバーハング、またはローカル最小フィーチャ) を「固定」するために使用できます。サポート構造をコンポーネント設計に統合するのが最適です。

残留応力 - 加工中の残留応力を軽減し、鋭いエッジを避け、ビルドパレットに直接接続された大きな加工領域を避けるように設計します。これが不可能な場合は、サポートを適用して部品の応力を相殺し、材料がビルドプレートから落ちるのを防ぐことができます。この方法は部品の大量生産には推奨されません。

放熱チャネル - 溶融していない粉末は断熱材となります。サポートは熱の一部を下層領域から逃がし、粉末の燃焼、過剰溶融、変形、変色を防ぐのに役立ちます。これは、スクレーパーに面した下層領域に特に当てはまります。部品を回転させてスクレーパーとの相対的な向きを変えることで、上記の悪影響を軽減することもできます。

一次サポートと二次サポート プライマリサポートは、CAD 環境でコンポーネントとともに開発されるもので、加工が完了すると削除される 1 回限りの構造です。補助サポートは、加工ファイルの処理ソフトウェアで生成されるサポートです。

出典: Renishaw 主なサポート機能は、頑丈さと優れた制御性です。これらは加工ソフトウェアにインポート（STL 形式）することも、部品本体と一緒に設計することもできます。完全なリビジョン管理機能を備えたパラメータとしてエクスポートすることもできます。有限要素応力解析も実行できます。さらに、熱を制御された方法で伝達するための主要なサポートを設計およびシミュレーションすることもできます。

処理ソフトウェアで作成された補助サポートもパラメータで管理できますが、追跡可能性と再現性に欠けます。部品の設計を変更する場合は、再構築が必要になる場合があります。
出典: Renishaw ハイブリッドサポート設計では、CAD 設計とビルドファイル処理ソフトウェアを最大限に活用して、最適なソリューションを実現します。

フィレットと面取り 水平方向の張り出しが 0.3 ～ 1 mm の構造は自立可能ですが、これは推奨されません。 1 mm を超えるオーバーハングは再設計またはサポートする必要があります。フィレットと面取りをコンポーネントに追加して、オーバーハングをなくすことができます (図を参照)。
出典:サポート除去の課題に関するRenishaw の説明 穴やパイプ内のサポートは取り外すのが難しく、後で機械加工が必要になる場合があります。同様に、サポートが少なすぎると取り外しが困難になる可能性があります。パーツの形状がサポートよりも壊れやすい場合、後処理中にパーツが損傷するリスクが高くなります。

水平方向の詳細 - サポートを追加するか、再設計する 部品の側面から出てくる横穴にもサポートが必要になる場合があります。ほとんどのレーザー粉末ベッドマシンで生成できる最小の穴サイズは 0.4 mm です。直径が 10 mm を超える穴やパイプの場合は、中央にサポートが必要になるため、再設計を検討する必要があります。これら 2 つのサイズの間の直径の穴は、サポートを追加せずに加工できますが、オーバーハング上部の溶融プールの冷却が遅いため、下面に多少の変形が生じる可能性があります。

水平穴は完全な円形になることは少ないため、自立できるように形状を変更する方が実用的であることが多いです。場合によっては、涙滴型またはダイヤモンド型の穴が最終的な特徴として許容されることもあります。どちらのプロファイルも流体通路に使用でき、同様の油圧性能を提供しますが、ダイヤモンド形の穴の方が流体圧力に耐える能力が優れています。

その他、高精度の丸穴が必要な場合は後加工が必要となります。ダイヤモンド形の穴は、フライス加工用の対称パイロット穴として使用することができ、涙滴形の穴よりも優れています。多くの場合、これらの穴は積層造形段階で機械加工するのではなく、後処理段階で固体構造にドリルで穴を開ける方が理にかなっています。

「サポートに関する提案」
- 10 mmを超える穴を自立型ダイヤモンド穴に変換
- 高い支持を避けるために面取り半径を使用する
- ビルドパレットに対して45°未満のオーバーハング角度を持つ領域を削除します
- 下面をスクレーパーから離して回転させます
- AM ビルドが完了した後に小さなフィーチャを加工する
- 加工パレットに対して直接部品加工を行い、加工余裕を残します。
- 水平方向の地下領域を削除する

要因: 最適化 トポロジー最適化とジェネレーティブデザインは、より効率的に部品を設計するためにますます使用されています。メッシュ構造により軽量化も図れるという利点もあります。付加製造は複雑な形状の部品を製造できるため、このような設計を実現する最適な方法です。

これらの最適化技術の主な目的は、余分な材料を除去しながら構造の強度と剛性を維持することです。最適化されたパーツは、より複雑で有機的な外観になることが多いです。機能性を重視して最適化された部品は、特に部品の向きに関して、必ずしも積層造形に適しているとは限らないことに注意することが重要です。

図: この部品を水平方向に加工する場合、赤で強調表示された張り出し領域に多くのサポートが必要であることは明らかです。出典: Renishaw 部品を垂直方向に再配置することで、サポートする必要がある領域が少なくなります。円形の穴などの詳細には、サポートを追加するか、再設計する必要があります。また、サポートバーとコーナー半径の最適化された交差角度にも注意してください。
出典: Renishaw は、設計段階で部品を再評価する際に方向を考慮したため、積層造形の場合、部品は 1 つの方向にしか向けられないことは明らかでした。ここで、後の処理のために横穴などの詳細を再設計する必要があります。
出典: Renishaw の「最適設計アドバイス」
- 最小壁厚基準を適用する
- 機械加工における重要な表面の決定
- サポートの配置を検討し、サポートが不要になるように削除または再設計します。
- 設計時に部品の向きを考慮し、それに応じて詳細を修正する
- 必要な表面仕上げが達成できるかどうかを判断する

設計者は、効率的な設計を実現するために、トポロジー最適化、中空部品、メッシュ構造（該当する場合）などのさまざまな最適化手法を組み合わせる必要がある場合があります。部品の向きは、フィット、形状、機能に次いで重要な設計要因となるはずです。

概要 付加製造技術は、効率的で高性能な部品を製造するための優れた設計自由度を提供します。しかし、部品を最低コストで、かつ廃棄物を最小限に抑えて大量生産するためには、積層造形のプロセス特性を十分に考慮する必要があります。

設計プロセスに積層造形設計 (DfAM) の考え方を取り入れることで、製造の成功率を最大化し、積層造形プロセスの経済的メリットを高めることができます。デザイナーが競争力を高めたいのであれば、思考をより柔軟にするだけでなく、付加製造プロセスに対する理解を深める必要があることは間違いありません。

出典: 3Dサイエンスバレー

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