3Dプリントで注意が必要なサポート構造と応力

3Dプリントで注意が必要なサポート構造と応力
選択的レーザー溶融 (SLM) 技術を使用した初期モデリングで考慮すべき重要な要素には、サポート構造の設計と、レーザー処理中の熱応力による変形を回避するための設計方法が含まれます。

支持構造から自立構造へ

一般的に、選択的レーザー溶融プロセス中にサポート構造が必要な理由はいくつかあります。第一に、サポート構造は部品とビルド プラットフォームの安定性を強化してサポートします。第二に、サポート構造は部品のビルド プロセス中に余分な熱を取り除きます。第三に、サポート構造は部品の反りを防ぎ、部品のビルド中に故障する可能性を減らします。

実際、サポート構造は生産量やコストに影響するだけでなく、追加の印刷時間、コスト、後処理時間、複雑さも追加するため、誰も好まないようです。

これにより、サポート構造の最適化の問題が生じます。サポート構造の使用を最小限に抑え、回避するには、製造する部品の形状とその構造上の制限を完全に理解する必要があります。

以下では、Renishaw ビール瓶オープナーの設計例を使用して、サポート構造の必要性を排除する方法を説明します。ボトルオープナーの元の流線型デザインは、左側(下図)に示されています。機械構造を最適化することで、右側(下図)の構造が得られます。新しい構造はより複雑に見えますが、優れた機械的特性を備えています。ただし、設計者は、灰色の線で示されているように、オレンジ色の部分には SLM レーザー溶融プロセス中に追加のサポート材料が必要であることを認識する必要があります。



この場合、美観や機械的性能に影響を与えない自立構造を追加することが検討できます。再度試みましたが、今回は追加のサポート構造を追加して、必要な追加サポート構造の量を減らしました (左図を参照)。右(下)の画像では、もともとサポートが必要だった部分が自立することで最適化されていることがわかります。この設計では、コルク抜きをベースに接続するために最小限のサポートのみが必要です。



残留応力と変形

積層造形は本質的には溶接プロセスですが、レーザービームのスポット径が従来の溶接よりも小さいため、エネルギー密度が高くなります。これにより、大きな断面積が生じたり、異なる断面積に応力が生じたりする可能性があります。この応力により反りが生じ、極端な場合には部品が支持部から「引き抜かれ」、ひび割れが生じる可能性があります。厚い構造物の構築が避けられない場合、最も賢明な選択肢は、より厚いビルド プレートを使用してこれらの曲げ力に抵抗することです。



一般的に、特にチタン合金の場合、融点と残留応力が高くなる可能性があるため、積層造形による非常に厚い構造物の製造は避けることが重要です。可能であれば、異なる領域の応力が他の領域に変形を引き起こさないように、壁は薄く均一である必要があります。モノリシック構造が必要な場合は、ブロックを格子で埋めて応力を軽減し、重量、材料費、構築時間を節約することを検討してください。



この格子は、冷却時に応力によって反りが生じる可能性のある非常に薄い壁の構造を支えるためにも使用できます。

非常に薄い壁であっても格子構造を持つと考えられ、溶融金属材料が冷却中に丸まるのを防ぎます。



すべての製品が製造される前、つまりプロトタイプ作成プロセスでは、常に付加製造プロセスを考慮する必要があり、その長所を活かして弱点を回避するための賢明な戦略が必要です。

3D Science Valleyから転載

サポート、変形、金属、レーザー焼結、構造

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