金属3Dプリント/積層造形の現状と国際標準の解説（第1部）

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-3-16 17:37 に最後に編集されました。

GE の 3D プリント/付加製造の説明では、この技術は極めて繊細で複雑なディテールを実現でき、複雑さが増しても製品の製造コストがほとんど増加しないため、破壊的であると GE が考えていることがわかります。この機能は、製品の再形成に大きな想像力の余地をもたらします。では、3D プリンティング、特に金属合金の付加製造は現在どのように発展しているのでしょうか?次に、Antarctic Bear と皆様は、金属合金 3D プリント/付加製造の現状と、現在使用されている国際標準と開発中の国際標準を理解します。

積層造形部品の成功は、多くの要因に依存しますが、その中には、適切な金属合金粉末を選択することが、設計エンジニアが最初に直面する重要な決定であることもあります。残念ながら、積層造形に使用できる金属粉末の選択肢は、従来の製造に使用できるものほど広くはありません。したがって、エンジニアが現在の制限を理解し、選択できる合金の物理的特性を認識することが重要です。

たとえば、過去 5 年間にわたって、サービスプロバイダーは「アルミニウムの印刷は確実に可能です」と何度も述べてきました。これを信じる人もいるかもしれませんが、アルミニウム合金なら何でもいいと思っていると、現実はもっと残酷なので、大抵は間違いです。入手可能な合金粉末も、その多くは国際的に認められた基準に準拠していると主張しています。実際、多くは特別バージョンです。これらの合金粉末の多くは、金属システムサプライヤーによって確認された仕様に従って提供されます。
図: 積層造形部品の既存の ASTM F42 試験規格図: 積層造形における化学組成の要件に関する開発中の ASTM F42 規格最後に、設計エンジニアにとっておそらくより重要なことですが、これらの合金の特性を説明する文書はまだ不足しています。この技術を早期に導入した人のほとんどは、漠然とした静的ストレッチテストを行わなければなりませんでした。また、熱処理やその他の応力緩和処理も施されていません。
図: 部品の機械的特性に関する既存の ASTM 試験規格は、積層造形に適用できます。最も一般的に使用される合金の疲労データは公開されていますが、これらのデータのほとんどは回転曲げ疲労試験によって取得されており、定性的な結果を迅速に得るのに役立ちます。さらに、積層造形によって得られた部品は、少なくとも造形面に対して平行な方向と垂直な方向では異方性を持つ可能性が高くなります。これは必ずしも悪いこと、またはその部品が使用できないことを意味するわけではありませんが、これらの特性を完全に理解する必要があります。これは、変形した合金に対する熱間圧延または冷間圧延の影響、または砂型鋳造や高圧ダイカストにおける異なる粒径の影響を理解することに似ています。これらの理由から、部品の望ましい最終特性を実現するためには、適切な後熱処理サイクルを選択することも重要な決定となります。

積層造形が多くの業界で受け入れられていることは間違いありません。もはや「ラピッドプロトタイピング」という限定的な視点で積層造形技術を見る人はほとんどいません。学術界、産業界のユーザー、システムや粉末のサプライヤーなどでは、各合金で達成できる物理的特性を決定するために多くの研究が行われており、部品が生産に向けて動き始めています。完全に認定されたアプリケーションを通じて部品を付加的に製造することは、世界的な取り組みです。これらの中で最も人気があるのは、GE が LEAP 航空機エンジン用に製造した燃料噴射装置です。試作から生産まで、業界では生産部門における付加製造に大きな可能性を見出しています。

粉末床溶融結合（PBF）プロセス<br /> 基本的に同じプロセスを説明するために使用される用語はたくさんあります。3Dモデルはスライスソフトウェアを介してスライスおよびレイヤー化され、各セクションの輪郭データを取得し、輪郭データから充填スキャンパスが生成されます。装置は、レーザービームまたは電子ビームを制御して、これらの充填スキャンラインに従って各層の金属粉末材料を選択的に溶かし、徐々に積み重ねて3D金属部品にします。

レーザービームまたは電子ビームがスキャンを開始する前に、粉末散布装置はまず金属粉末を成形シリンダーのベースプレートに平らに押し付けます。次に、レーザービームは、現在の層の充填輪郭に従ってベースプレート上の粉末を選択して溶かし、現在の層を処理します。次に、成形シリンダーは層の厚さだけ下降し、粉末シリンダーは一定の厚さだけ上昇します。次に、粉末散布装置は、処理された現在の層に金属粉末を散布します。装置は、処理のために次の輪郭層のデータを呼び出し、部品全体が完成するまでこのように層ごとに処理します。処理プロセス全体は、金属が高温で他のガスと反応するのを防ぐために不活性ガスで保護された処理チャンバー内で実行されます。
多くの人がこの技術を 3D プリンティングと呼んでいますが、厳密に言えば、これはこの技術の正しい名前ではなく、付加製造の方が正確です。
図: 複数の AM 層を示す典型的な断面、出典: Renishaw 金属 AM プロセスを使用して製造された部品は、一般に砂型鋳造部品よりも材料特性が優れていると考えられていますが、通常は鍛造部品の特性と一致しません。理由は多面的で非常に複雑です。ほとんどの場合、金属粉末を層ごとに溶融するプロセスにより、熱影響部 (HAZ) の下で異なる微細構造と材料特性を持つ金属マトリックスがさらに差別化されることが理解できます。これらの数千の微細溶接領域には、さらに多くの熱影響部が含まれます。
ASTM は現在、PBF 処理技術に関する関連規格を発行しています。
図：ASTMとISOは、既存のドイツ規格VDI3405をベースにFBF加工技術の規格を発表した。新規格は2017年半ばに完成する予定。レーザーまたは電子ビームは、非常に高速な範囲で金属粉末を急速に溶かし、急速に固化するため、結果として得られる金属組織学的粒度は大幅に変化する可能性があります。多くのプロセスパラメータを調整することで、最終製品の機械的特性の粒径と微細構造をある程度制御できます。

レーザー加工プロセス中、溶融池の凝固挙動は、最終的なレーザー 3D プリント部品の総合的な性能に重大な影響を及ぼします。凝固速度が遅すぎると粒子が粗大化し、材料の強度が大幅に低下します。一方、凝固速度が速すぎると、部品内部に微小亀裂や気孔などの加工欠陥が発生しやすくなり、使用中に部品が早期に故障する原因となります。同時に、凝固挙動によって生じる残留応力集中の問題は、ワークピースの寸法精度や表面粗さと密接に関係しています。中国ではこの分野で優れた研究が行われています。
図: レーザー 3D プリント溶融池の SEM 断面、出典: 南京航空航天大学の一般的な合金粉末<br /> 最も一般的に使用されている合金粉末は、チタン合金 Ti6Al4V または Ti64 です。この合金は、非常に用途が広く、多くの業界で広く使用されています。強度が高く、鋼鉄に匹敵しますが、重量は鋼鉄のほぼ半分であるため、最も人気のある合金の 1 つです。この合金には実際には 2 つの主なグレード、より一般的なグレード 5 と、超低クリアランスのグレード 23 があります。後者は酸素と窒素の含有量を制御するためのより厳しい要件があります。

ASTM F42 によって発行されたチタン合金のさまざまな規格は、この合金を用途分野と組み合わせる際に非常に役立ちます。
図: 各機器サプライヤーのシステムには独自の動作特性があり、Ti64 の残留応力が特に問題となるため、チタンとアルミニウムの既存の ASTM 規格を積層造形に適用できます。したがって、Ti64 部品の製造プロセスは、パラメータを設定するほど単純ではありません。応力緩和熱処理サイクルにはさまざまな種類があり、それぞれが異なる機械的特性を生み出すことに注意することが重要です。たとえば、英国にある Renishaw の医療および歯科製品部門では、ELI 合金の処理に高い柔軟性を提供する特注の熱処理サイクルを開発しました。このプロセスは現在、X-Flex というブランド名で販売されています。
図：Ti6Al4Vの機械的特性の比較もちろん、他のチタン金属には、工業用純チタンTi-CP、医療用チタン合金Ti7AI7Nb、およびTi-6242などのその他の高温または高強度チタン合金が含まれます。
アルミニウム合金の加工もまた科学です。アメリカの会社 Sintavia は、アルミニウム合金加工技術の完全なシステムを開発しました。 Sintavia の包括的な製造能力により、F357 アルミニウム合金をより迅速に製造し、業界の厳格な検証パラメータを満たすか、それを上回ることができます。 Sintavia 独自のアルミニウム合金処理は、製造前の材料分析だけでなく、製造後の熱処理や応力緩和も含まれる完全なシステムであり、設計強度の最大 125% を 100% の精度で生産することができます。常温、高温強度検証、氷点下検証を通じて、Sintavia は要件を満たすアルミニウム部品を迅速に生産することができます。

この記事は続きます。金属3Dプリント/積層造形技術の現状と国際標準についての当サイトの解説（第2部）も近日中に公開しますので、どうぞお楽しみに。
参考文献:
-AMSC_ロードマップ
- CN105718690A
- シンタビア、F357アルミニウムの印刷専用プロセスを開発
- 積層造形用金属合金の現状

出典: 3D Science Valley 詳しい情報: 米国の3Dプリント標準化ロードマップで明らかになった現在の設計上の26の欠陥

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