3D プリントにおける表面処理方法は何ですか?

はじめに: 付加製造は近年驚異的な成長を遂げ、ニッチな技術から、試作から最終使用部品の生産まですべてを実現できる、ますます工業化された方法へと進化しています。しかし、3D プリントには、特に設計の自由度やカスタマイズされた生産の面で多くの利点があるにもかかわらず、技術だけではプロ品質の完成部品を製造することはできません。多くの場合、高品質の最終モデルを得るには、さまざまな後処理手順が必要になります。これにはさまざまなステップが含まれます。この種の後処理は、ブランクの外観を変更したり、表面を滑らかにしたり、サイズや形状を調整したり、耐用年数を延ばしたりするために必要となることがよくあります。では、3D プリントにおける表面処理方法にはどのようなものがあるのでしょうか。それぞれの利点と欠点は何ですか?

表面研削

△ 3Dプリント部品の表面処理には、研磨が一般的な方法です。手作業で行うこともできますが、自動ツールを使用することもできます。

サンディングは、3D プリント部品の表面処理の一般的な方法であり、手動で行うこともできますが、自動ツールも利用できます。 3D プリントされた部品、特に押し出しによって作られた部品では、線層が非常に目立ちます。これらの表面欠陥を除去する最も一般的な方法の 1 つは、さまざまな粒度のサンドペーパーなどの粗い材料を使用して層の線を除去し、傷のない均一な表面を提供するサンディングです。この機能は、表面に追加のコーティングを適用する場合に便利です。

研磨は通常、粗い目のサンドペーパーから始めて、徐々に細かい目のサンドペーパーを使用して、滑らかな表面を実現します。ただし、研磨する際にはモデルの形状を損傷しないように注意してください。さらに、この方法の欠点は、部品上の特定のポイント、特に小さな穴やアンダーカットに到達するのが難しいことです。研磨は手作業で行うこともできますが、時間がかかります。そのため、自動研削工具や機械も市場に出回っています。

ショットピーニングとサンドブラスト ショットピーニングとサンドブラストは、3D プリントの表面処理に使用される一般的な手法です。これらは、アルミニウム合金、鋼、チタン、銅、その他の金属を含むさまざまな金属部品によく使用されます。これらのプロセスにより部品の強度と耐久性を高めることができますが、それらの間にはいくつかの重要な違いがあります。ショットピーニングでは、高速の圧縮空気によって部品の表面に噴射される小さな金属またはセラミックのボールを使用します。この衝撃により、部品の表面層に制御された塑性変形が生じ、疲労強度が向上し、亀裂や破損の可能性が減少します。ショットピーニングにより、その後のコーティングの耐腐食性と接着性も向上します。

一方、サンドブラストでは、ガラス、金属、プラスチック、その他の研磨材の小さなビーズを使用して、部品の表面を洗浄、研磨、またはテクスチャ加工します。部品の外形が変形する可能性があるショットピーニングとは異なり、サンドブラストでは材料の最上層のみが除去されます。部品の美観を向上させ、汚れや腐食を除去し、その後のコーティングのために表面を準備するために使用されます。

ショットピーニングとサンドブラストの主な違いは非常に単純です。最初の方法は、部品の表面に塑性変形を発生させ、それによって最終的な強度と耐久性を高めます。 2 番目の方法は、材料の最上層のみを滑らかにして、美観を向上させ、その後のコーティングのために表面を準備します。これらの後処理技術は、ギア、スプリング、タービン部品、航空機や車両の構造部品など、機械的応力や歪みを受ける部品に特に役立ちます。

研磨方法：バイブレーション研磨、タンブル研磨 研磨システムは、前述の部品を1つずつ加工する方法とは異なり、複数の3Dプリントオブジェクトを同時に加工するものであり、振動研磨とタンブル研磨に分かれています。どちらの技術でも、3D プリントされた部品を研磨剤の近くのドラムまたはタンブラーに配置する必要があり、回転または振動の動きと組み合わせることで、部品の最高の仕上がりを実現するために必要な摩擦が生成されます。

△金属・プラスチック部品の加工が可能

どちらの方法でも高品質の仕上げが実現できますが、一般的に振動仕上げは、部品全体に材料をより均等に分散させることで、より滑らかで均一な表面を実現するのに適しています。したがって、振動は、大きな部品や、角が丸いが細部までこだわらない部品に最適です。一方、タンブル研削は、より滑らかな動きを適用する遠心シリンダーシステムをベースとしており、より小さく繊細で微細な部品に適しています。速度は、2 つの方法のもう 1 つの違いです。振動仕上げはより速い技術ですが、タンブリングでは高品質の表面を実現するために通常より長い時間が必要です。希望する表面仕上げと使用する材料に応じて、タンブリングには数時間から数日かかる場合があります。要約すると、振動仕上げとタンブリングは金属部品やプラスチック部品の後処理に効果的な方法ですが、動作、速度、表面仕上げ、部品の形状に対する適合性は異なります。さらに、異なる種類の研磨媒体を混合する場合は、特定の組み合わせによって不均衡が生じ、部品の仕上がりが不均一になったり、部品が損傷したりする可能性があるため、注意が必要です。

スチームスムージング スチームスムージングは、3D プリントされた部品の表面を滑らかにするもう 1 つの方法です。主な違いは、仕上がりがマットではなく光沢になることです。これを行うには、ガス状の溶剤を使用して部品の表面を均質になるまで溶かします。部品が蒸気チャンバー内の溶剤にさらされると、液化を防ぐために冷却チャンバーに送られます。液化とは、固体または気体の物質が物理的条件の根本的な変化により直接液体状態に変化するプロセスです。この冷却により、表面のみが溶け、物体の望ましい形状が維持されます。

蒸気平滑化処理では、物体の外側の気孔を埋めて表面を密閉し、その部品に液体やガスを入れることができるようになります。この技術は幅広い熱可塑性プラスチックと互換性がありますが、有害な化学反応を引き起こす可能性があるため、特定の材料には使用できないことに注意してください。互換性のないプラスチックには、ポリカーボネート（後処理機械によって異なります）、ポリフェニルサルフォン（PPSF）、ULTEM 1010、ULTEM 9085 などがあります。

△オリジナルパーツとスチームスムージング後のパーツの比較

蒸気平滑化の代替法は溶剤含浸です。名前が示すように、3D プリントされた部品を蒸発する化学物質にさらすのではなく、溶剤に浸します。結果は蒸気平滑化の場合と非常に似ていますが、溶媒がより速く、より激しく作用するため、寸法精度を維持することがより困難になります。この方法は、部品が蒸気室のサイズよりも大きい場合に役立ちます。

表面処理用エポキシ：コーティングと浸透 エポキシ樹脂は、エポキシ基（2 つの炭素原子と 1 つの酸素原子を含む 3 員環式エーテル）を含む反応性ポリマーの一種です。 3D プリントされた部品を加工する際に、これらの樹脂は密封された表面仕上げを実現し、部品を気密にし、高温や特定の化学物質に対する耐性を向上させます。この方法は、過酷な動作条件に耐える部品に最適です。このタイプの樹脂を塗布する場合、コーティングと浸透の 2 つの方法から選択できます。

エポキシコーティングは通常、手作業で塗布されます。これにより、高価な機器の購入を回避することでコストを削減できますが、同時に、適用に必要な時間と労力が増加します。さらに、この技術は、小ロット生産、小型部品、または表面の一部のみをシールする必要があるアイテムに適しています。ただし、内部の通路やアンダーカットなど、この手法ではアクセスできない領域もあります。さらに、エポキシコーティングにより部品の厚さがわずかに増加するため、正確な寸法が必要な部品には適さない可能性があります。

△ 手作業によるエポキシ樹脂コーティング例

一方、エポキシ浸透システムは、手作業で塗布する際に遭遇する多くの制限を克服します。浸透法では、部品をエポキシ樹脂に浸し、真空チャンバーを使用して樹脂を物体に導入し、細孔を埋めます。このプロセスは完了までに約 3 時間かかり、労働集約度が低いため、大きな部品に適用する場合に実用的かつ迅速になります。ただし、主な欠点は、手作業によるコーティングに比べてコストが高くなることです。エポキシ樹脂自体のコストに加えて、樹脂を予熱して硬化させるための真空チャンバーと加熱オーブンも必要です。

CNC加工 加法技術と減法技術を補完的に使用して、両方のアプローチの利点を組み合わせることができることはよく知られています。 CNC 加工は厳密には後処理方法ではありませんが、3D プリントにおける高品質な表面仕上げの方法として使用できます。これは、直接エネルギー蓄積 (DED) などの技術にとって特に興味深いものです。これらの製品では、押し出し工程中に金属が直接溶融されるため、結果として得られる部品の表面は非常に粗くなります。滑らかで明確な表面を実現するには、常に CNC 加工ステップが必要です。市場には、両方のプロセスを統合して生産をスピードアップするハイブリッド製造ソリューションが数多く存在します。

△右側がCNC加工部分

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