実用的なヒント - ダイレクトメタル 3D プリントのための 10 の設計次元

この投稿は、Little Soft Bear によって 2016-12-20 15:52 に最後に編集されました。

各積層造形技術にはそれぞれ対応する設計原則があり、技術自体の利点をよりよく発揮し、部品生産の品質を向上させます。 Proto Labs のシニア品質エンジニアである Jonathan Bissmeyer 氏は、ダイレクトメタル 3D プリント (DMLS 技術) の「10 の設計次元」を紹介しました。Antarctic Bear は、部品がトポロジー最適化と軽量化を通過して初めて、3D プリント技術の利点が最大化されると考えています。それでは、技術専門家の指示に従って、設計上の抜け穴をより適切に回避する方法を見てみましょう。

1. まず、ダイレクトメタル 3D プリントの設計では、次の 2 つの要件に重点を置く必要があります。
部品点数の削減金属 3D プリント技術に基づいて、部品を一体として設計できるため、組み立てやメンテナンスの作業が大幅に削減され、コストを節約できます。もちろん、これは減量にも役立ちます。

NextGen 3D プリント自動車フレームは、統合設計のコンセプトを体現しています。すべての鉄鋼部品は 3D プリントされたノードを介して接続でき、その厚さと形状は自由に調整できます。

重量を軽減するもう一つの戦略は、中空設計を使用することです。軽量化は燃料を節約するため、航空宇宙産業などの製造業にとって重要です。

2. 精密なディテール ダイレクトメタル3Dプリンティング装置は、0.006インチの成形精度を実現できます。この精度は、グリッド構造や鋭いエッジなどのデザインにとって非常に重要です。しかし、もちろん、コンポーネントのすべての部分がそれほど正確である必要はありません。 3D プリント中の急速な加熱と冷却のプロセスにより、コンポーネントの内部に応力が加わり、一定の変形が発生し、精度に影響します。

上記の高さ 2 インチのパネル 5 枚は、異なる厚さで設計および印刷されました。最も薄いものでも厚さはわずか0.006インチ（0.15 mm）です。右側のパネルの高さはわずか 1/4 インチで、左に移動するにつれて高さが高くなります。これらの部品のうち、1 mm 厚の部品だけが反りませんでした。

一般的なルールとして、垂直コンポーネントの高さと壁の厚さの比率を約 40:1 に維持します。設計時に、サポートされていない垂直構造の数を減らし、エッジにラップおよび補強されたパーツをさらに設置できます。

3. 表面精度
DMLS 部品の表面仕上げは、多くの場合、課題と見なされます。表面粗さは、材質、ビルドパラメータ、部品のルーティングによって異なります。パラメータを調整することで、表面粗さをある程度まで低減できますが、それに応じて材料パラメータが犠牲になる可能性があります。

その後の補助操作（機械加工や手作業による研磨など）により表面粗さを低減できますが、一部の特殊な表面は直接処理することが難しい場合があります。さらに、これらの後処理にかかるコストも大きな問題です。

異なる材料と印刷パスの典型的な Ra 値の比較 (機器は Concept Laer DMLS 3D プリンター 2 台)

一般的に、ある角度で下向きに傾斜した表面は最も粗く、垂直な側壁表面はより細かく滑らかです。したがって、3D プリントを行う前に、主要な表面と特徴を特定しておくことが最善です。

4. 外部サポート DMLS 部品では、部品を所定の位置に保持し、印刷プロセス中に内部応力を緩和するという 2 つの目的でサポートが使用されます。部品の断面が厚い場合は、反りを防ぐために追加のサポートが必要です。

サポートを追加する場合でも、サポートを削除する場合でも、時間と費用がかかります。したがって、設計時にこの側面を考慮し、サポートを最小限に抑えることが重要です。

5. 内部機能 積層造形を使用すると、単一の部品ファイル内に内部フィーチャを作成できますが、これは慎重に行う必要があります。チャネルのサイズと形状、オーバーハング距離、内部サポート角度、接続面の寸法を考慮してください。

内部の空隙を自立型格子構造に置き換えることを検討してください。これにより、部品の重量が大幅に軽減されるだけでなく、印刷中の内部応力も軽減されます。

6. 内部（自己）サポート 例えば、自立アングル設計。角度が低いほど、サポート能力は低くなります。実際の角度の値は、材料と印刷パスに応じて調整する必要があります。通常、45° の角度で良好なサポートが得られ、表面の粗さが一定に保たれます。

7. 張り出した構造 オーバーハングは設計時に考慮すべき重要な要素です。オーバーハングは、緩やかな自立角度と比較した場合の形状の急激な変化です。他の 3D 印刷技術とは異なり、DMLS ではサポートされていない張り出した構造を保持する能力が限られています。サポートされていないオーバーハングが 0.020 インチ (0.5 mm) に達すると、ビルドエラーが発生する可能性が高くなります。

8. 内部通路 コンフォーマル冷却チャネルと金型ギャップを備えた部品がますます多く設計されるようになっています。コンフォーマル冷却チャネルによりコンポーネントの寿命を延ばすことができます。内部チャネルを設定する場合、最初に行うことはサイズ制限を理解することです。直径が 8 mm を超えるチャネルは下方向に変形する可能性があるため、その場合は従来の円形チャネルよりもダイヤモンド型または涙滴型の方が適している可能性があります。

9. 接続面 接続面は、2 つ以上の側面を接続する平らな部分です。DMLS 技術では、サポートされていない距離スパンが 2 mm を超えると問題が発生しやすくなります。

10. 内部ストレス 急速な加熱と冷却により内部応力が生じます。垂直面/柱間の遷移アーチにより、内部応力を軽減または排除できます。

大きな固体部品は反りが発生しやすくなります。印刷開始位置が正しくないことに加え、接着力が低いことも原因の 1 つである可能性があります。サポートを追加し、断面を大きくすると、内部応力を排除するのに役立ちます。

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出典: 3D Printing World 詳しい情報:
実用的なヒント - 3D プリント設計のための強力なツール - トポロジー最適化技術驚くべきトポロジー最適化 3D プリント事例の一覧

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