3Dプリントにおける熱処理：成形部品の性能向上に役立つ必勝法

3D プリントの後処理段階では、粉末の脱粉、サポートの除去、着色など、使用する技術に応じてさまざまな方法が使用されます。さらに、積層造形の分野では無視できない別の後処理方法として、3D プリント部品の熱処理があります。

熱処理は、望ましい結果、使用する材料、好ましい技術に応じてさまざまな形態をとることができますが、主なものとしては焼結、金属焼鈍、凝固、熱間静水圧プレスなどがあります。このタイプの後処理には明確な目標があります。それは、3D プリントされた部品の内部応力を軽減し、その機械的特性を向上させることです。選択した手法に応じて異なる結果が得られますが、最終的な目標は、印刷プロセス中に発生する可能性のある残留応力を軽減することです。
△積層造形における熱処理にはさまざまな装置が使用可能（写真提供：Markforged）
積層造形においては、選択された印刷プロセスに応じて、製造される部品はさまざまな温度にさらされ、さまざまな加熱段階と冷却段階を経ます。これらの段階は部品に直接影響を及ぼし、部品に残留応力が蓄積されます。したがって、印刷後の熱処理は、これらの残留応力を除去するだけでなく、曲げ強度、延性、最終的な硬度などの部品の機械的特性に影響を与えるためにも重要です。さまざまな熱処理方法とその効果について見ていきます。
焼結は金属やセラミックの重要な後処理工程です。<br /> 焼結は、積層造形で使用できる熱処理方法の 1 つです。焼結は、独立した後処理方法というよりも、製造プロセスの中のステップであることに注意してください。実際、バインダージェッティングや間接 3D プリントを使用する場合は、焼結が必須です。後者は金属粒子を含んだプラスチックフィラメントを使用する方法を指します。
印刷後に得られた成形体を焼結することで、バインダーを除去し、金属粒子同士を固めることができます。これを実現するには、焼結炉が必要です。焼結炉では、使用する材料の融点よりわずかに低い温度まで温度を上げます。この技術により、元の粉末粒子が除去され、部品の多孔性が低減され、硬度が向上します。主に金属やセラミックの粉末に使用されます。
最終部品の収縮を考慮してください。焼結プロセス中に、材料粒子が結合してバインダーを置き換え、元の部品のサイズが縮小されます。この削減率は約15％～20％です。
ポリマー 3D プリント部品の硬化と熱処理<br /> 次はポリマーの付加製造です。ポリマー部品の最終特性を向上させるには、特殊な熱処理技術が必要です。これは主に樹脂3Dプリントで使用される硬化です。
樹脂は、液体の状態では結合しない複数のモノマーで構成されています。 UV 源にさらされると、これらの同じモノマーが結合して目的の部分を形成します。ただし、印刷後、一部の領域では最適な架橋が達成されず、印刷されたコンポーネントの全体的な強度が損なわれるリスクがあります。これは、さまざまな架橋パターンを生み出す可能性があるため、硬化段階の中で最も興味深い部分である可能性があります。
△硬化は樹脂 3D プリント部品の一般的な熱処理方法です (写真提供: Formlabs)
部品が完成したら、余分な非光重合性樹脂と印刷サポートを除去するために洗浄されます。その後、部品を適切な機械に配置できます。通常、3D 樹脂プリンターのメーカーは、Formlabs とその Form Cure ソリューションなど、独自の硬化ステーションを提供しています。これは、印刷された部品を硬化させて最終的な特性を与える UV チャンバーです。これにより、脆弱性と破損のリスクが軽減されます。硬化により樹脂の色も固定され、取り扱いがより安全になります。
硬化の結果、部品の耐久性が向上し、これは多くの領域で重要になります。使用される樹脂の種類や部品のサイズなどの要因は、この熱処理段階に直接影響します。一般的に、部品が大きいほど、硬化に時間がかかります。これは製造プロセスで考慮すべき要素です。
3D プリントの熱処理方法 - アニーリング<br /> アニーリングベースの熱処理方法では、3D プリントされた部品を特定の温度にさらしますが、この温度は使用される材料に応じて高くなったり低くなったりします。加熱後、徐々に冷却することで強度を高めます。この技術は金属だけでなくガラスにも広く使用されています。 PLA や PETG などの一部のプラスチックもアニール処理できます。 ABS などの他の熱可塑性プラスチックの場合、熱によって反りが生じる可能性があるため、アニーリングは適切ではありません。
△一部の熱可塑性プラスチックはアニーリングと互換性があり、熱処理方法として使用できます（写真提供：UltiMaker）。
しかし、それは具体的にどのように機能するのでしょうか?具体的には、アニーリングとは、材料を結晶化温度以上、融点未満の温度に加熱することです。ポリマーの場合、これにより分子が再編成され、最終部品の安定性が向上します。金属の場合、焼鈍処理により再結晶化によって粒子のサイズが大きくなります。
どちらの場合も、アニーリングの持続時間は最終部品の構造に影響します。つまり、熱にさらされる時間が長いほど、構造は大きく変化します。たとえば、プラスチック部品は、熱によって収縮が加速されるため、焼鈍処理後に小さくなります。これは部品を設計する際に考慮すべき重要なポイントです。 3D 金属プリントにおけるアニーリングにより、作成された部品の延性と強度が向上することに注意してください。この技術は特に鋼鉄に適しています。
金属の熱処理方法<br /> 次に、金属に特化した熱処理方法について紹介します。 1 つ目は、熱間等方圧プレス (HIP) です。非常に高い温度と静水圧の不活性ガス圧力を組み合わせ、同時に適用すると部品の密度と強度を高めることができます。具体的には、コンポーネントは高圧の格納容器に収納され、この熱と圧力の組み合わせにさらされます。これにより、すべての内部空隙と残留多孔性が除去されます。この技術はセラミック材料にも対応しています。
△3Dプリントパーツ上部にHIPタンクを設置（写真提供：Bodycote）。
3D プリントされた金属部品は、焼入れによって強化することもできます。焼入れでは、部品を非常に高温に加熱し、その後急速に冷却します。これはコンポーネントの微細構造に影響を与えます。焼入れには通常、部品を冷却するために液体を使用する必要があります。現在 AM と互換性のある熱処理方法は他にも多数ありますが、このリストは網羅的なものではありません。しかし、これで、利用可能なテクノロジーとその重要性についての概要がわかりました。もう 1 つのポイントは、設計段階から部品の収縮などの特定のパラメータを考慮することを忘れないことです。

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