サポートフリーの3Dプリントは可能ですか？

はじめに：積層造形（AM）におけるサポートフリー構造とは、3Dプリントにおいてサポート構造を使用せずに部品を製造する製造方法を指します。 3D 印刷プロセスでは、コンポーネント構造の強度を強化し、スムーズな印刷を確保するために、カンチレバー構造や微細構造などにサポートを追加するなど、サポート構造が必要になることがよくあります。サポートのサイズと構造は通常、印刷される部品のサイズと形状によって異なります。これらのサポートは、熱応力による変形を防ぎ、成形部品をスクレーパーの再コーティングによる損傷から保護するために、技術者によって戦略的に「配置」されます。サポートは、ビルドプロセス中にパーツに追加の剛性を提供し、パーツをビルドプレートに接続して安定性を維持することもできます。ただし、その後のサポート構造の除去は複雑で時間がかかり、印刷された部品の精度が低下します。研究者らは、基本的に3D印刷プロセスからサポート構造を取り除き、部品を完全に独立して構築できるようにし、印刷精度を向上させる、サポートフリー印刷の概念を考案しました。では、サポートフリーの印刷は本当に可能なのでしょうか?

3Dプリントをサポートすることのメリットとデメリット

サポートは、本質的には、部品の下に人工的に追加された小さな隆起構造です。場合によっては、適切なサポートがないとパーツが完全に形成されません。最も一般的な原因は、オーバーハングのあるパーツと穴のあるパーツです。たとえば、上の画像に示すように、斜面の底を印刷する場合、後続の各レイヤーは前のレイヤーをわずかに超えて拡張されます。これにより、いくつかの問題が発生します。一部の部品が構造の外側に伸び、重力によって「下に引っ張られ」始めます。 45° ルールは現在、オーバーハング印刷で認められているルールです。このルールでは、45° 以下の傾斜は印刷可能で、45° を超える傾斜にはサポートが必要であると規定されています。多くの複雑なアプリケーションではサポートの使用が依然として必須ですが、サポートには材料、印刷時間、および追加の後処理手順のコストがかかります。

●デメリット１：印刷時間<br /> パーツ自体が層ごとに作成されるのと同様に、各サポートはビルドの各層ごとに段階的に印刷する必要があります。その結果、印刷時間が長くなり、効率が低下してエネルギー消費量が増え、さまざまな点で製造コストに影響を及ぼします。

●デメリット2：材料の消費<br /> サポートは、構築される部品の残りの部分と同じ方法で構築されるため、サポートを作成するために追加の材料が必要になります。サポート材は後処理で最終製品から取り除かれ、廃棄物として処分されるため、時間とコストに影響します。

●デメリット3：後処理<br /> 3D プリントされた部品のほとんどは後処理段階を経ますが、これは完成した部品の要件に応じて複数のステップで構成される場合があります。サポート構造が多い建物では、サポート構造のない部分よりも長く、集中的な後処理プロセスが必要になります。この時間のかかるプロセスでは、手作業が必要になるだけでなく、追加のコストも発生します。場合によっては、一部のサポートが削除できず、パーツ内に残ることがあります。これらは部品の適切な機能には影響しませんが、部品の重量が増加し、部品の全体的なパフォーマンスに影響します。

△従来の青い支持構造のインペラと、この支持なしのインペラの先進的な設計により、材料を 15% 削減できます。 (画像提供：EOS)

サポートフリー印刷のメリット<br /> サポートフリーの 3D プリントを利用することで、経済性、環境性、生産時間の面で AM プロセスを改善できます。具体的には、次のような側面に現れます。

●生産時間の短縮：
プリンターのレーザーがサポート層に継続的にエネルギーを供給する必要がなければ、サポート層が削除されるごとに構築時間が短縮されます。企業は生産時間を大幅に短縮できます。

● 後処理リソースを節約:
サポートが存在しないということは、後処理で除去ステップを完全に省略できることを意味し、リードタイムにプラスの影響を与えます。後処理では、サポートの除去とその後の表面処理に多くの時間を費やします。サポートなしで構築すると、このような集中的な後処理調整が不要になり、より迅速かつ経済的に部品を完成できます。

●材料使用量と環境への影響を削減：
持続可能性と責任ある製造を念頭に置くと、サポートを使用しない、あるいはサポートのサイズと数を減らすことで、材料の無駄が減ることが明らかになりました。これによりエネルギー消費も削減され、3D プリントの経済的および環境的コストも低減されます。

サポートフリーの3Dプリントは可能ですか？
現実には、すべての部品形状に対して 100% サポートフリーの AM は現在は不可能ですが、将来実現しないというわけではありません。 Antarctic Bear は、EOS Additive Minds が最近、サポートフリー印刷の究極の目標に近づくためのいくつかの成果を達成したことを知りました。

△インペラは、内部サポートなしで最適化されたプロセスを使用して EOS M 290 上に構築され、コストを 35% 削減します。 (画像提供：EOS)

金属 AM の制限として、サポートなしでは特定のオーバーハング角度を印刷できないことが挙げられます。サポートがないと、印刷プロセス中の光への露出によって生じる残留応力により、張り出した部分が歪むリスクがあり、金属 AM システムのユーザーが制限されます。業界リーダーの革新的な考え方のおかげで、重要な 45 度の角度が疑問視され、挑戦を受けるようになりました。現在、部品の品質を損なうことなく、より大きな角度でオーバーハングやブリッジを印刷できるソフトウェアおよびパラメータパッケージが多数提供されています。

シュラウド付インペラケースは、オーバーハング角度の制限を打破し、サポートフリー構造を実現しました。この特定のプロジェクトでは、内部サポートも完全に排除され、後処理手順の複雑さが大幅に軽減され、全体的な生産コストが 35% 削減されました。プロセス開発チームは、このような革新的なプロジェクトの研究結果を 3D 印刷ソフトウェアの標準プロセスに適用しました。これにより、どのユーザーでもサポート不要の印刷を簡単に開始できるようになります。

サポートフリーの3Dプリントは可能ですか？

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