金属積層造形プロセスのプロセス手順

出典: 金属積層造形に関する洞察

製造ツールは単独で動作するのではなく、上流プロセスおよび下流プロセスと密接に統合されており、この統合が成功した場合にのみ価値が生まれます。金属積層造形 (AM、一般に 3D プリントと呼ばれる) 製造プロセスを成功させるには、プリンターを設置して操作するだけでは不十分です。金属 3D プリントソリューションを評価、選択、テスト、実装する際には、AM ワークフロー全体を考慮する必要があります。

金属 AM プロセスのステップは、テクノロジー、機器、業界、アプリケーションなど、多くの要因によって異なります。この記事では、ほとんどの状況に当てはまるワークフローについて説明します。このワークフローは、設計、前処理、印刷、後処理、品質保証の 5 つの主要な部分に分かれています。

付加製造プロセスの手順。出典: Metal AM

デザイン

デザインはワークフローの最初のステップです。金属 AM の設計における課題と機会は、既存の部品を印刷するか、新しい部品設計を作成するかによって異なります。

既存の部品設計の場合、通常は部品にわずかな変更のみを必要とする製造プロセスを選択することが目標となります。これにより、再設計と再調整のコストが削減されます。この場合、3D プリントの商業的価値は、製品のパフォーマンスの向上ではなく、時間と生産コストの節約によって決まります。既存の部品設計を選択した場合、金属 AM の価値実現までの時間は通常短くなります。

完全に新しい設計の場合、製品の機能性と製造可能性の両方を考慮する必要があります。 3D プリント用に設計 (または変更) された部品は、製品のパフォーマンスを向上させ、商業的価値を高める潜在的な要因となる可能性があります。各金属 AM プロセスには、部品の形状を制約し、印刷中に部品をサポートするために必要な構造 (「サポート」) の設計を決定する独自の設計ルールがあります。エンジニアは、3D プリントの設計にジェネレーティブデザインとトポロジー最適化を利用することが多くなっており、それに合わせた新しいツールが市場に登場しています。

自動車用ギアボックスブラケット、出典：Farsoon High-Tech

前処理と印刷

前処理には、設計から印刷までのさまざまなステップが含まれます。最初の前処理手順は、CAD ファイルを、プリンターが部品の各層を構築するために使用する指示に変換することです。これらの指示は、CAD モデルをレイヤーにカットし、印刷プロセス用のツールパスを生成するスライシングを通じて作成されます。ツールパスには、スキャンパス情報と印刷プロセスパラメータ (金属を溶かすために使用される電力など) が含まれます。 1 回のビルドに複数のパーツが含まれる場合があり、その場合はビルドプレート上にパーツを効率的に配置することが追加の手順になります。

一部のテクノロジーでは、印刷される金属の品質と精度がこれらのパラメータに非常に敏感であるため、プロセスパラメータの定義は複雑で反復的なプロセスになります。量産では、印刷パラメータは通常固定され、その後は継続的な機械調整によって維持されます。一部のテクノロジーでは、プロセスパラメータは閉ループプロセス制御を通じてリアルタイムで管理されます。

ソフトウェアの前処理とパラメータの開発が終わったら、次の作業を含めてデバイスを物理的にセットアップします。

1. ビルドプレートまたは基板をロードして位置合わせする

2. 酸化を防ぐために印刷に必要な不活性雰囲気を準備する

3. 原材料を準備してプリンターにセットします。

これらのステップの複雑さは原材料の種類によって異なります。たとえば、金属粉末は可燃性、毒性、酸化性があるため、規制された取り扱いが必要です。

後処理

後処理は、印刷プロセス自体よりもコストと時間がかかる場合があります。

さまざまな AM プロセス、装置、アプリケーションなどの後処理手順は大きく異なり、部品のすべての要件 (精度、表面仕上げ、強度など) を満たす必要があります。これは、プロセス手順の検証で反復とテストが必要になることが多いもう 1 つの領域です。主な手順のほとんどを以下に概説します。

1. プリントプレートとビルドプレートをデバイスから取り外します。

2. 造形部分から粉末などの余分な材料を取り除きます。

3. 精度、剥離の可能性、表面品質、サポートアクセサリなどを確認します。

4. 部品の分離: EDM、バンドソー、または機械加工を使用して、ビルドプレートから部品を取り外します。ネスト目的でパーツが接続されている場合は、パーツ同士を取り外します。

5. 通常は、はさみ、EDM、バンドソー、または機械加工を使用して、個々の部品からサポートを除去します (サポートの除去は、二次処理ステップとして行うこともできます)。

6. バインダー工程では、バインダーを除去して焼結する必要があります。金属から結合材を除去するために、部品を溶液に数日間浸します。前のステップで得られた高多孔性の部品を焼結して、多孔性を低減します。

7. 機械加工: 残りのサポートを除去し、表面を滑らかにし、主要な機能を追加して、重要な許容差を実現します。二次処理のために印刷物を所定の位置に保持するために、カスタム固定具が必要になる場合があります。部品の形状が複雑な場合、これらの固定具の設計と製造には多くのリソースが必要になる可能性があります。

8. 表面研磨：研磨では表面粗さの要件を満たすことができません。タンブルピーニングまたはショットピーニングにより、表面を滑らかにしたり、加工硬化させたり、加工されていない表面から粉末を除去したりします。

9. 熱処理 (HT): ビルドの除去後に熱処理を実行し、残留応力を除去します。

9. 熱間等方圧プレス（HIP）：通常、粉末プロセスで成分分離後に使用され、多孔性を低減し、さらに応力を軽減します。

10. 炉焼結：バインダーを除去した後、粉末バインダープロセスを使用する必要があります。これにより、大幅な収縮と形状の変化が発生する可能性があります。これは、設計段階の上流で、品質保証部門と緊密に連携して補正する必要があります。

11. 加工前に高温処理を行い、材料を焼き入れして硬度を下げます（ほとんどの金属印刷プロセスでは急速冷却が行われるため、材料が加工しにくい高硬度状態になっている可能性があります）。

12. 機械加工後、最終的な硬度要件と必要な冶金相および粒子構造を達成するために高温焼戻しが行われます。

表面処理前（左）と表面処理後（右）の部品。画像提供：Unionfab
品質保証

AM の品質保証 (QA) は単一のステップではなく、ワークフロー全体を通じて実行される一連のチェック、測定、分析、および記録です。

金属 AM における品質保証は独特です。ほとんどの従来の製造プロセスとは異なり、ほとんどの金属 AM プロセスにおける再現性は当然のものではありません。一部のプロセスは、制御が難しい原材料やプロセス変数に特に敏感です。これにより、ソフトウェア、ハードウェア、材料に対する強力な品質保証戦略の必要性が高まります。金属堆積プロセスを直接測定および制御できるプロセスが有利になります。
場合

以下のフローチャートは、NASA のパーサヴィアランス探査車に搭載された 5 つの 3D プリントされた筐体部品の製造ワークフローを示しています。これらの軽量で薄壁のコンポーネントは、使用できるようになるまでに複数回の後処理とテストが必要です。

ワークフローの概略図。出典: Metal AM

参考文献:
[1] www.digitalalloys.com
[2] https://www.additivemanufacturing.media/

金属積層造形プロセスのプロセス手順

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