レーザー焼結3Dプリント技術を使用する際に考慮すべき重要な要素

他の製造プロセスと同様に、各テクノロジには機能と制限があり、3D 印刷テクノロジの 1 つである選択的レーザー溶融 (SLM) も例外ではありません。

3D Science Valley では以前、Delcam が設計の初期段階で積層造形の特徴を考慮し、設計プロセス中に積層造形の制限を回避する方法について紹介しました。

今号では、3D Science Valley が Renishaw の最新事例を使用して、モデリング機能のサイズ、表面仕上げ、オーバーハング特性、サポートの最小化、コンポーネントの変形の回避など、3D プリントプロセスにおける重要な要素を考慮する方法について説明します。

フィーチャーサイズ

加工中は、選択したツールを使用して、できるだけ詳細なフィーチャを作成できます。ツールのサイズによって、部品の穴とスロットの最小サイズが決まります。

3D プリントのプロセスでは、ツールのサイズに注意するのと同様に、レーザースポットのサイズにも注意する必要があります。レーザースポットは金属粉末を加熱し、各レーザースポットは微小溶融池を形成します。粉末の溶融から固体構造への冷却まで、スポットのサイズと電力によってもたらされる熱量によってこの微小溶融池のサイズが決まり、部品の微結晶構造に影響を与えます。

下の画像は、レーザーエネルギーによって加熱された粉末粒子と、その熱が隣接する粉末にどのように広がるかを示しています。粉末を溶かすには、十分なレーザーエネルギーを材料に伝達して中心部の粉末を溶かし、完全に密度の高い部品を作成する必要がありますが、同時に熱はレーザースポットの周囲を超えて伝導され、周囲の粉末に影響を与えます。

したがって、最小製造サイズは一般にレーザースポットよりも大きく、レーザースポットを超えた焼結量は粉末の熱伝導率とレーザーのエネルギーに依存します。

格子構造と同様に、70μmのレーザースポットを使用して140μmの格子構造を生成でき、対応する壁の厚さは200μMに達することができます。

表面仕上げ

集中したレーザービームは金属粉末を強力に溶かします。レーザーの後ろの領域の温度が下がると、熱伝導により、軟化したが液化していない粉末粒子が微小溶融池の周囲に現れます。

これらの部分的に焼結された粒子の一部は溶融金属に引き寄せられ、部品の表面にしっかりと付着した粒子になります。熱源にそれほど近くない他の粒子は、他の未焼結粉末とともに粉末層内に残ります。この点ごとの溶融プロセスにより、部品に特徴的なテクスチャ表面が作成されます。粉末が層ごとに広がるため、次の層のレーザー溶融プロセス中に、いくらかの熱が下層に伝導され、不完全に焼結された粒子が再溶融されます。この層の段階的な溶融と冷却が相互に作用し、積層造形部品の特徴としてよく知られている部品表面のテクスチャを形成します。

レーザー出力、粉末粒子サイズ、層の厚さは表面仕上げに影響を及ぼす重要な要因です。層が薄くなると表面仕上げは向上する傾向がありますが、処理時間が長くなり、処理コストが高くなります。一般的なレーザークラッディング処理パラメータを使用すると、達成される表面仕上げは 10 ～ 20 μm の範囲になります。

オーバーハング

粉末床レーザー溶融プロセスでは、粉末を層ごとに積み重ねることで粉末供給が行われ、これらの層間の関係が非常に重要です。溶融金属の各層は液体の状態では、物理的なサポートと熱伝導の経路を提供するために下の層に依存しています。

レーザーが金属粉末を溶かすと、次の層が固体金属支持体である場合、レーザー熱によって次の層が部分的に再溶かされ、強力な溶接領域が形成されます。次に、前の層の新しく溶けた金属部分と溶接されます。レーザー光源が離れると、溶融池は急速に凝固してまとまりのある部品を形成します。

溶融金属粉末の下にサポートが不足している場合、溶融プロセス中に粉末は下の溶融していない粉末に「くっついて」しまいます。溶融していない粉末は固体金属ほど密度が高くないため、サポートされていない新しい溶接金属層に凹みが生じる可能性があります。溶融していない粉末は固体金属よりも熱伝導率がはるかに低いため、溶融池の熱がより長く保持され、周囲の粉末がより多く焼結することになります。その結果、部品の表面仕上げが粗くなる可能性があります。

図に示すように、緑の層は間違いなく構築されます。黄色の層は構築されますが、表面仕上げが粗くなる可能性があります。赤の層は歪みが発生する可能性が高くなります。経験則としては、垂直方向からのオーバーハング角度が 45 度を超える設計は避け、30 度以内の設計が最適です。オーバーハング角度が 45 度を超える場合は、サポート構造の設計を考慮する必要があります。

サイドホール

同じ理由で、部品の設計時には、側穴が垂直方向から 45 度を超える角度の円弧部分を持つため、側穴の直径が大きくなりすぎないようにする必要があります。円形の穴の変形量は主にその直径と材質の違いによって決まります。一般に、直径 10 mm 未満の円は、視覚的に目立つ歪みがなく自立できます。

サポート構造の削減

ただし、パーツ構築の成功率や効果にはサポートが必要な場合があります。しかし、サポート構造は事実上無駄であり、材料だけでなく後処理コストも浪費し、ビルドに時間がかかり、ビルドの複雑さが増し、コストが増加します。

サポート構造の必要性を減らすには、穴、スロット、チャネルの設計を最適化する必要があります。

丸穴の設計を例にとると、丸穴を「ティアドロップ」またはダイヤモンド形状に変更できるかどうかを検討できます。たとえば、以下の例では、丸い側面の穴には内部サポートが必要ですが、ティアドロップとダイヤモンドの穴には必要ありません。

パーツのビルド方向は、サポート構造の必要性を回避するためのもう 1 つの考慮事項ですが、これにより、追加のレイヤーとより長いビルド時間が発生する可能性があります。下の画像では、アセンブリが傾いているため、内部の円筒形の穴にサポート構造は必要ありません。

もちろん、パーツの構築方向を調整するのは難しい場合があり、一部の領域でサポートが不要になると、他の領域でサポート構造が必要になることもあります。ここで、レニショーの新しい量子準備ソフトウェア QuantAM は、サポート構造が必要な領域を視覚化し、それらの展開を支援するために使用できます。

3D Science Valleyから転載

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