3D プリント技術を使用してデザインを処理する場合、どのような要素を考慮する必要がありますか?

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-3-27 09:53 に最後に編集されました。

積層造形が加速し、強力な生産技術となるにつれて、ほとんどの設計エンジニアが従来の積層造形教育を受けて育ってきたという明らかなギャップが生じ、この考え方を変えるには多大な努力が必要になるでしょう。いくつかのルールを微調整するだけではなく、教育と実践を完全に進化させます。デザイナーが 3D プリントを通じて創造性と革新性を実現するよう求められる場合、製品の機能要件を満たし、積層造形技術の特性を満たすことを中心に新しいデザインのアイデアを開発する必要があります。

従来の減算的製造は、白紙の状態から始まります。減算的製造がデザインに与える限界は、何十年にもわたる厳格な規則とガイドラインを通じて、デザイナーの心を悩ませてきました。付加製造の考え方は、設計者の思考を迅速に刷新し、設計を迅速にトレーニングして再検討し、付加製造向けの設計に切り替えるというペースの速いアプローチを通じてのみ実現できます。積層造形は「複雑ではない」ものの、考慮すべき制約がまだ多くあり、コスト、時間、品質の考慮を含む積層造形のガイドラインが必要であることを設計者が認識することが重要です。

最適化されたデザイン 設計、製造、コストは数十年にわたって「ひとつ屋根の下で」行われており、これら 3 つの関係を理解することが重要です。積層造形においては、これら 3 つの要素の相互影響を考慮することが特に重要です。従来のデザインは実現と製造に数週間から数か月かかります。 3D Science Valley の市場調査によると、積層造形サイクルは非常に速いため、設計上の欠陥が瞬時に、場合によっては一晩で特定できることもあるそうです。これらの設計、製造、コストの反復は非常に迅速に行われるため、相互に学習し、設計を最適化する方法論に統合することができます。

付加的なプロセス向けに設計されています 積層造形の現在の設計プロセスは、特に既存の部品を軽量化する必要がある場合、既存の設計から始まることがよくあります。部品の選択、材料の選択、プロセスの選択のプロセスは、それ自体が主題です。最適化が必要な部品を選択したら、CAD パッケージを起動して積層造形用の設計を作成できます。

設計サイクルは直線的ではなく、設計の各段階で多くの選択に直面します。設計の反復は、どのパラメータを最適化する必要があるかによって異なります。たとえば、納期が厳しい場合は、製品の高さを低くしたり、マルチビーム処理条件を考慮したり、独自の設計によって後処理手順の必要性を減らしたりする必要があるかもしれません。

図: 粉末除去の例。黒い線は、粉末回収システムからの圧縮空気がチャンバー内に到達できる視線距離を示しています。

材料の異なる特性

積層造形合金の性能は、鍛造合金や鋳造合金と同等ではありません。積層造形材料には独自の設計システムがあります。積層造形プロセス中に発生する温度勾配の変化により、材料特性と微細構造が異方性になることがあります。熱処理により微細構造が変化し、より等方性になりますが、一部の方向では異なる幾何学的効果が残る場合があります。 3D Science Valley の市場調査によると、材料とプロセスの組み合わせオプションを理解することが重要です。成形方向も処理結果に大きな影響を与える可能性があります。

後処理を考慮する

積層造形には 2 種類の CAD モデルを考慮する必要があります。1 つは最終的な幾何学的形状で、ベンチマークの決定、処理サイズの許容要件、表面仕上げ要件などが含まれます。同様に重要なもう 1 つの CAD モデルは、3D 印刷装置が識別して処理するためのモデルです。このモデルでは、穴を埋めたり、サポート構造を追加したり、処理許容値を増やしたりすることができます。

図: 粉末が剥がれやすい不連続面の多い表面ではなく、滑らかな表面を設計します。

後処理の手順は、使用する材料と技術によって異なります。たとえば、電子ビーム溶解 (EBM) では、応力緩和や部品と基板の機械的な分離は必要ありませんが、焼結粉末の一部を除去する必要があります。レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) 技術では応力緩和が必要であり、通常はワイヤ EDM またはバンドソー加工によって部品をベースプレートから取り外す必要があります。全金属 3D プリントの熱処理には通常、材料内の空隙と多孔性を減らすための熱間静水圧プレス (HIP) プロセスが含まれます。さらに、一部の材料では、望ましい微細構造要件を達成するために熱処理が必要になる場合があります。より包括的な情報については、3D Science Valley が発行した「3D プリント後処理の「扉」」を参照してください。

粉末溶解と脱粉の利点と欠点

図: 内部の空洞に仕切りがある場合や、真空で除去できない場合は、構造に穴を追加し (左上)、溶接で埋めるという方法が一般的です。

部品を設計する際には、粉末をどのように除去するかが重要な考慮事項となります。電子ビーム溶解 (EBM) のベストプラクティスでは、特に部品の形状要件が厳しい場合は、ベースに一定量のオーバーハングを組み込む必要があります。ステンレス鋼板は構造の最初の数層に影響を与える可能性があるため、サポート構造として削除できる構造余裕として少なくとも 3 ～ 5 mm を残してください。 EBM プロセスの利点の 1 つは、設計に必要なサポートが少なく、プロセス全体を通じて残留応力が低いため、部品が簡単に外れやすいことです。

図: 後工程の仕上げを検討する場合、設計者はプロセス自体の物理的性質を考慮する必要があります。たとえば、角では平面よりも材料除去率が高くなるため、プロファイル許容値 (破線) の位置によって、曲面部分での除去率が大きくなります。

電子ビーム溶解 (EBM) における主な考慮事項は粉末の除去です。一方で、EBM 予熱ステップにより部品の完全性は向上しますが、粉末の除去は課題となります。予熱工程中に、周囲の固体粉末が部分的に焼結され、長いキャビティから取り出すのが困難になる場合があります。焼結粉末のこの部分は流れません。股関節インプラントを加工する場合は、この部分の粉末を除去する必要があります。そうしないと、人体に危害を及ぼすリスクがあります。設計者にとっての課題は、粉末の除去を容易にするために視界の空洞を最大化しながら掃引半径を設計することです。

レーザー粉末床溶融結合 (LPBF) プロセス中、レーザーシステムには粉末が容易に流れるという利点があります。複雑な内部空洞が必要な場合、レーザー加工プロセスでは粉末を除去できるという利点があります。ただし、粉末がキャビティから流れ出やすくなったとしても、応力緩和の前、および部品をアバットメントから分離する前に粉末を除去する必要があります。そのため、内部空洞が支持構造に埋もれている場合や真空が達成できない場合は、部品の特定部分に粉末除去設計を追加する必要があります。構築されたモデルに穴を追加し、その後これらの穴を溶接で除去するのが一般的です。

図：粉末を除去しやすくするために、部品に穴が追加されています。

レーザー処理中、部品とベースは基本的に溶接されるため、部品の取り外しが複雑になり、全体のプロセスに時間がかかります。 3D Science Valley の市場調査によると、部品はワイヤー EDM や鋸刃などの機械的な方法を使用して取り外す必要があります。ワイヤー放電加工はより精密な加工なので、設計する際の余裕は基本的に 3mm 厚です。鋸を使用して部品を分割する場合は、少なくとも 5mm の余裕を持たせることをお勧めします。

熱処理 ほとんどの場合、熱処理中に大きな歪みが発生しない限り、熱処理によって設計が変更することはありません。残留応力のため、レーザー溶融で大型部品を製造することは困難です。 EBM では通常、水平方向および垂直方向の応力緩和手順は必要ありません。

熱処理中に形状の歪みが問題になる場合は、設計プロセス中に、熱処理中の安定性を確保するために薄壁部品の周囲に犠牲ノードやフレームを設けるなどのオプションを検討できます。

表面仕上げ補正 表面仕上げは、部品表面の構築方向によっても異なります。上面は比較的滑らかで、垂直面は通常は粗いですが、仕上がりは均一です。アバットメントに対する角度が 90° に近いほど、表面は粗くなります。一般的に言えば、粉末とレーザーのパラメータを最適化することで表面仕上げを改善できます。ただし、粉末の粒子サイズ、レーザー出力、処理時間、表面仕上げの間には一定の制約があり、総合的なトレードオフが必要になります。

必要な表面仕上げを実現するには、後工程の機械加工で仕上げる必要がありますが、その際には材料除去率と補正を考慮する必要があります。たとえば、0.05cmの厚さを除去する必要がある場合は、設計時に0.05cmを追加する必要があります。後処理後に部品が必要な寸法公差を満たすようになります。

表面仕上げを補正しようとする場合、設計者はプロセス自体の物理的性質も考慮する必要があります。たとえば、コーナーでは材料除去率がより高くなるため、これらの場所ではプロファイル許容値を大きくする必要があります。

外部表面仕上げに加えて、内部キャビティには一定レベルの自由流動が求められることが多く、設計者はこれらの材料除去率と補正を考慮する必要があります。

機械加工 前述したように、ほとんどの部品は必要な精度を達成するために機械加工する必要があります。 3D 印刷プロセスでは重要な許容誤差要件を満たすことができないため、一貫性は従来の CNC プロセスを通じて実現する必要があります。設計では、CNC 加工をより効率的に行う方法を考慮する必要があります。

設計者と製造エンジニアは協力して、CNC 加工プロセス中に部品がどのように配置されるかを理解する必要があります。付加製造を活用することで、必要なタブ、ピン、穴、スロット、さらには一時的な処理部品を印刷プロセスに追加し、後続の固定具やツールのプロセスに対応できるようになります。

出典: 3D Science Valley 分析、3D プリント後処理ルーチン

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