金属 3D プリントの品質を管理するにはどうすればよいでしょうか? 「印刷プレビュー」はどうでしょうか?

現在、金属 3D 印刷プロセスにおける溶融池の挙動を理解して制御することは、常に難しい問題となっています。2D 印刷のように、印刷前に「印刷プレビュー」を実行して、起こり得るエラーを回避することは可能でしょうか?積層造形シミュレーションのスペシャリストである 3DSIM は、Sigma Labs と提携して、金属積層造形プロセスに対する熱センサーの反応をシミュレートし、起こり得るエラーを事前に回避する FLEX™ というソフトウェアを開発しました。FLEX™ の完全商用バージョンは、2018 年初頭にリリースされる予定です。

FLEX™ は、積層造形用のデジタルスレッドの重要な部分であり、FLEX™ ユーザーは、2D 印刷用のワードプロセッサソフトウェアの「印刷プレビュー」機能と同様に、3D 印刷装置の高速非接触型パイロメーターが「見る」ものを予測するシミュレーションソフトウェアを実行できます。
シミュレーションソフトウェア 3DSIM のソフトウェア設計の基礎は、1,000 種類以上の異なる材料の組み合わせの性能特性を理解し、部品のどの側面が材料の組み合わせに大きな影響を与えるかを理解することです。これにより、材料特性と溶融池の幅と深さの関係を判断するのに役立つ興味深い結果が得られます。溶融池の幅と深さを正確にシミュレートすることで、部品の表面粗さ、精度、多孔性を直接予測できます。
部品の形状をモデル化すると、シミュレーションソフトウェアを使用して代表的なレーザー走査パスを予測できます。レーザーと材料との相互作用のモデルはシミュレーションによって得られます。このモデルは、レーザーの作用により材料が粉末から液体に、そして固化へと変化する過程を科学的に説明しています。このモデルは、粉末が加熱され、エネルギーが爆発し、溶解し、粉末床上で急速に冷却されて固化するプロセスをシミュレートし、各層の構造は類似しています。
層スキャン戦略が確立されると、シミュレーションによって層の正確な温度履歴が提供され、材料の結晶構造、多孔性、変形、残留応力を予測できるようになります。シミュレーションデータは、粉末材料の嵩密度、レーザーエネルギー吸収特性、熱伝導率など、機器と材料の物理的要因に基づいています。シミュレーションを通じて、プロセスパラメータを調整し、新しい粉末を交換することができます。スキャン戦略と粉末の選択はソフトウェアを通じて決定できます。シミュレーションソフトウェアは、これらの変更が部品のパフォーマンスに与える影響を予測します。
Sigma Labs の強みは、センサーハードウェアとデータおよびソフトウェアの統合にあります。ハードウェアの面では、Sigma Labs のセンサー技術である Sensorpak は、プロセスデータを収集するための音、光、熱センサーで構成された完全なシステムです。センサーによって記録されたデータによってプロセス文書が作成され、ロスアラモス国立研究所での冶金学と溶接学における長年の研究経験を持つシグマラボのエンジニアがビッグデータから主要な品質記録を抽出し、結果として得られた特徴を通じて主要なプロセスの物理的特性を復元することができます。
ハードウェアが大量のデータを記録・蓄積するため、Sigma Labs はプロセス測定からプロセス制御へと進化し、プロセスパラメータの保存は結果に合わせるためのマイクロレベルの設定として使用されます。プロセスパラメータから品質との相関関係を作成します。事前に定義されたルールが満たされない場合、印刷プロセスが中断され、信号がアクティブ化され、その間にパラメータの検出と偏差の修正が実行されます。このようにして、欠陥のある溶融池の発生を防止する必要がある。このプロセス制御はプロセス品質保証と呼ばれ、シグマラボラトリーズ独自の (iPQA™) テクノロジーです。さらに、プロセス品質測定 (iPQM™) には品質保証が含まれており、生産効率を向上させ、製造業務のリーン戦略を実現できます。
その後、Sigma Labs はこの機会を利用して自社のソフトウェアを商品化しました。 2015 年、Sigma Labs は粉末床金属印刷用のプロセス制御ソフトウェア DEFORM™ をリリースしました。 DEFORM™ は、INSPECT™ を完全に補完するプロセス制御を実現する独自のツールです。独自のオンラインアルゴリズムにより、構築中の各レイヤーの幾何学的特性に関するデータが生成されます。 Sigma Labs のテクノロジーは、リアルタイムのレイヤーごとの分析を提供し、生産仕様への準拠を保証します。
ソフトウェアの動作原理は、3D プリンターの動作手順と一致しています。 Sigma Labs の品質管理プロセスを例にとると、ビルドプロセス中に、製品は下から上へ (Z 方向) 垂直に印刷されます。 Sigma Labs の PrintRite3D® CONTOUR™ システムは、各印刷プロセスの後に写真を撮影します。製品全体が印刷されると、システムはモデリングプロセスに対応する各層のデジタル画像を撮影します。システムは各層の画像を記録し、コンピューターがその画像を設計されたモデルのスライスと比較します。

もちろん、ハードウェアは非常に詳細なレベルの観察と記録を実現できるため、ソフトウェアの機能も強化されています。Sigma Labs の PrintRite3D ® INSPECT™ ソフトウェアは、高温計とフォトダイオードを使用して溶融池の温度を検出し、次の 3 つのプロセス変数を記録します。1) 金属粉末が溶融するときの温度の「上昇率」、 2) 溶融池が最高温度に留まる「時間」、 3) 溶融池の冷却の「速度」。システムは、これら 3 つの変数をキャプチャすることにより、溶融プールの「電子署名」を生成し、各層の部品の微細構造を X、Y、Z の 3 次元で記録します。
加工時の品質管理では、PrintRite3D® INSPECT™ ソフトウェアを使用し、大量の生産ビッグデータから形成される加工パラメータと製品性能の相関関係に基づいて、生産要件を満たす部品に対応する加工パラメータを「ベンチマークデータ」として取得します。加工パラメータの値は、部品の機械的特性や冶金学的特性と相関関係がない限り、ほとんど意味を持ちません。つまり、この属性データを生成し、その属性データを処理パラメータの「電子署名データ」と相関付けるには、まず大量のテストサンプルを作成する必要があります。これにより、各層の「電子署名データ」は、新たな処理の際に「参照データ」と比較される。
3DSIMとSigma Labsの共通点は、どちらも積層造形をターゲットにしており、ビッグデータの分析と処理能力を備えていることだと言えます。3DSIMはシミュレーションに重点を置いており、Sigma Labsはハードウェアに強いため、両者の協力により、シミュレーションソフトウェアを通じてリアルタイムの処理条件の予測と理解がさらに進み、溶融池内の粉末の挙動の予測可能性が高まります。
出典：3D Science Valley 拡張記事：長さ8メートルの超金属3DプリンターMetalFAB1に3DSIMソフトウェアがインストールされます

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