EOSの専門家は、サポートフリーの金属3Dプリントの最適化ソリューションを提案し、閉じたインペラのサポートフリープリントを実現

この投稿は warrior bear によって 2022-11-5 19:08 に最後に編集されました。

Antarctic Bear はじめに: 金属積層造形 (AM) のプロセスでは、サポートの追加と除去が常に大きな問題となっていました。直接金属レーザー焼結法 (DMLS) を例にとると、熱応力による変形を回避し、溶融池から熱を逃がすために、印刷前にモデルのサポート構造を事前に設定する必要があります。これらのブラケットは設計の一部であり、全体として製造されます。建設後、支持構造物は取り除かれ、廃棄されます。サポートがないと、特定の傾斜角度（通常は約 45°）以下のオーバーハング構造を印刷することが困難であり、金属 3D 印刷システムユーザーの選択肢が制限されることが多く、多くの機器 OEM や積層造形ソフトウェア企業にとっても大きな課題となります。

2022年11月5日、Antarctic Bearは、上記の問題を解決するために、E0S社のAdditive Mindsの専門家が、ステーターリング、ケーシング、タービンポンプ、オイルタンク、熱交換器、バルブ、インペラーなど、サポート構造なしで3Dプリント部品を製造するためのさまざまなプロセス最適化技術を開発したことを知りました。その中でも、クローズドインペラーはより典型的なケースの1つです。 E0S では、設計ソフトウェアとパラメータパッケージを最適化することで、カンチレバーやブリッジをより低い角度 (場合によっては角度ゼロ) で印刷できるようになり、必要なサポートの数が大幅に減り、サポートがまったくなくなることさえあります。

サポートフリーの積層造形法では、追加のサポートを除去する必要がないため、後処理段階でも多くの時間を節約できます。手動で削除する場合は、スタッフの時間と労力を他の作業に充てられるようになります。サポート構造なしで部品を製造すると、何も廃棄されず、部品とサポート設計のすべての側面が必要であるとみなされるため、材料の無駄も削減されます。しかし、これは簡単なプロセスではなく、ソフトウェア設計の専門家やメーカーは長年にわたり、サポートされていない設計の課題に取り組んできました。
この記事では、EOS の専門家がサポートフリー方式を利用してインペラを構築する方法を説明します。密閉型またはシュラウド型のインペラーは多くの業界で使用されており、サイズ、形状、材質、性能要件は大きく異なります。密閉型インペラーは、高速回転による機械的負荷、腐食性の高い媒体、極端な温度など、さまざまな極端な条件にさらされることがよくあります。例としては、宇宙ロケットのターボポンプ用途、マイクロガスタービンの圧縮システム、石油・ガス用途の海水ポンプなどが挙げられます。
従来の金属 3D プリントにおける設計要件をサポート<br /> サポート付きの 3D プリント部品を設計することは、長い間、積層造形 (AM) における標準的なアプローチでした。サポートの数、サイズ、および位置は、いくつかの要因によって決まります。

印刷プロセス中の残留応力により、 3D モデルが変形する可能性があります。この変形を物理的に防ぐためにサポートを追加することができます。
リコーターの中断が部品の構築途中に影響を及ぼすと、部品が振動したり損傷したりして、作業が失敗する可能性があります。ブラケットは、リコーターの衝撃から部品を保護するために使用されます。
サポートを介した熱伝達により、構築プロセス中に部品をより速く、より確実に冷却して形成できるようになります。

3D プリンターのビルドが完了し、パーツが正常に生成されるようにするには、サポート設計に影響する次のようなさまざまな要素を考慮する必要があります。

部品の向きによって、部品に必要なサポートの量が決まります。通常、パーツの表面積がビルドプレートから大きく離れるように配置されている場合は、上記の要因を補うためにさらに多くのサポートが必要になります。
一般的に、45 度以下のオーバーハングにはサポート構造が必要であると考えられています。
チャネルと穴は、そのサイズと方向的に無効であるかどうかに応じて、サポートなしで変形する可能性があります。

モデル設計<br /> EOS のチームは、適切な専門知識と創造的な問題解決スキルを駆使して、モデルを設計および構築するための新しい方法を開発し、「傾斜角度が低い場合はサポートを追加する必要がある」という先入観を打ち破り、優れた結果を達成しました。この記事で DMLS プロセスのサポートフリー構造と機能を示すために使用されたインペラは、EOS Additive Minds によって設計され、直径 150 mm、オーバーハング角度が 10 度と低い 12 枚のブレードを備えています。
△インペラの設計。出典: EOS
部品の傾斜方向と支持構造<br /> インペラは、取り外しが困難な内部サポートを避けるために、角度をつけて印刷されることがよくあります。ただし、この方向では、多くの場合、構築時間が長くなり、表面品質が不均一になり、部品の真円度が損なわれる可能性があります。平面配向には、構築時間の短縮、真円度と精度の向上、部品全体の表面品質の均一化など、いくつかの利点があります。ただし、低いオーバーハングには通常、多くのサポートが必要です。現在の DMLS プロセスでは、角度が 35° 未満の大きなオーバーハングをサポートする必要があります。部品の再コーティング力と内部応力を補うために、溶接プールの熱を放散するためのサポートが必要です。
△従来の方向とその結果得られるサポート構造 (右)、傾斜したシェル (左)。出典: EOS
サポートされていない設計最適化
EOS は、高度なモデル設計技術を活用することで、内部サポートを追加する必要性を大幅に削減します。積層造形プロセスの設計最適化は、印刷の成功に関連するもう 1 つの重要な側面です。内部の補強は主に適応した露出戦略の使用によって回避できますが、外部のサポート構造が依然として必要になる場合がよくあります。
この論文のインペラの場合、ソリッドインフィルを使用する代わりに、自立型アーチと薄壁を使用して部品の底部を変更し、プラットフォームの接続を強固にし、構築プロセス中の変形を防止しました。これにより、従来のブラケットよりも少ない材料で済みながら、高い強度と加工性が向上します。インペラの外径は閉じられており、組み立て時に部品の剛性を高め、出口エッジでの形状精度の低下を防ぎます。このインペラでは、高度な設計により、機械加工の最適化と内部サポートのない自立構造と相まって、材料を 15% 削減できました。
△従来型構造とサポートなし構造。出典: EOS
プロセス最適化<br /> インペラは、いわゆる高エネルギーダウンスキン方式 (張り出した表面を露出させるタイプの構造) を使用して構築されています。本質的に、この方法では、他の DownSkin パラメータを調整しながらレーザー出力を増加させることで、DownSkin 露出のエネルギー密度入力を増加させます。これにより、特にルースパウダー上にオーバーハングを構築する場合に、より大きく安定した溶融プールが生成されます。この方法は、インペラの製造によく使用される多くの材料（Ti64、316L、AlSi10Mg、In718 など）に効果的に使用されています。

したがって、すべての重要な角度がこの最適化されたパラメータの恩恵を受けることができることが保証されます。他のサポートフリー技術とは異なり、高エネルギー DownSkin アプローチでは、構築速度が犠牲にならず、したがってサポートを回避するビジネスケースも犠牲になりません。
何らかの対策を講じないと、高エネルギー DownSkin 法では、溶融プールが深くなるため、DownSkin 領域で Z 方向の部品サイズが過剰になります。後処理や設計の調整により、部品を適切なサイズに調整できます。 DownSkin も比較的粗いですが、粗さは均一なので、研磨フロー加工などのバルク表面処理技術に役立ちます。また、多孔性もほとんどなく（下の写真参照）、多孔性は DownSkin に限定されています。その結果、全体的な機械的特性は影響を受けず、EOS が開発した高品質の InFill プロセスを引き続き信頼することができます。したがって、適切な機械的特性を得るために、熱間等方圧プレスなどの二次プロセスは必要ありません。
△クロスカット高エネルギーダウンスキン照射。出典: EOS
ビルドプリントの品質は次の写真で確認できます。
△写真は高エネルギーダウンスキン工法のダウンスキン品質を強調しています。出典: EOS
後処理（研磨フロー加工、AM金属）
研磨フロー加工は、フロー関連のアプリケーションや内部形状によく使用される表面仕上げ技術です。研磨媒体は、固定具に保持された部品に押し込まれます。メディア内の研磨粒子が流路に沿って表面を研磨します。内面仕上げの準備として、閉じた外径を機械加工して開き、直径と部品の高さを AFM プロセスに使用する治具に合わせて調整する必要があります。前加工後、部品をクランプし、クランプの助けを借りて研磨媒体を部品に押し込みます。 AFM プロセスの後、インペラは最終寸法に機械加工されます。
研磨フロー加工（AFM）後の最終部品△AFM後のインペラの上面図。出典：EOS △AFM後のインペラ上面の詳細画像。出典: EOS △インペラ下面のAFM詳細。出典：EOS △加工後のインペラ底面。出典: EOS]
EOS は、この記事で言及した密閉型インペラのサポートフリー印刷に関する詳細なホワイトペーパーを公開しました。このホワイトペーパーでは、プロセスと設計の最適化だけでなく、後処理とビジネスケースについても説明しています。興味のあるクマの友達は、ここのリンクからダウンロードできます: