3D プリント製品の表面粗さソリューションについてどれくらいご存知ですか?

出典: ホールリスト

積層造形技術は、さまざまな分野で非常に幅広い応用の見通しを持っていますが、欠点は、その粗さが非常に高いことです。 10〜50ミクロンの粗さでは、ハイエンド機器の部品表面品質の要件を満たすことができません。その実用化はまだ非常に限られており、積層造形製品の場合、実用化するには、合理的な表面仕上げ処理を実行することが不可欠です。 2022年8月2日に行われた「積層造形における複雑な金属部品の表面仕上げのボトルネックと事例分析」をテーマにしたライブ放送では、積層造形製品の表面仕上げに適用可能な現在のソリューションについて学び、現在の仕上げ業界で認識されている技術的な困難を早急に克服する必要があることも理解しました。では、3D プリント製品の表面粗さソリューションについてどれくらいご存知ですか?

△3Dプリント多孔質骨インプラント

ホールリスト：レーザー仕上げ技術と SLM レーザーの違いは何ですか?
南京尚済付加製造研究所：レーザー研磨、レーザーエッチング、SLM はすべてレーザー加工技術です。原理的には両者の間に大きな違いはないと思いますが、主な違いはエネルギーの量にあります。 SLM を行うには、粉末を溶かして結晶化させ、目的の形状を作り出すのに十分なエネルギーが必要です。ただし、レーザー研磨に必要なエネルギーは比較的少なく、滑らかに仕上げるには複数回のスキャンが必要になる場合があります。

ホールリスト：輪郭研磨、異なる材料に対してどの材料が検証されていますか？
南京尚済付加製造研究所：コンフォーマル研磨技術は実は非常に広範囲にわたります。研磨流動、気液固三相、電解質プラズマはすべてコンター研磨です。もちろん、検証されている材料の種類は数多くあります。主に物理的な力で作用する気体、液体、固体であれば、超硬質材料でない限り、他の種類の材料でも可能であるはずです。

研磨流動加工も同様で、どちらも主に機械力に依存するため、幅広い材料の種類に適用できます。硬度が高すぎない限り、加工できるはずです。おそらく、判断する必要があるのは、特定の溶液システムで実行する必要がある電解質プラズマ研磨だけです。電解プラズマに関しては、研究で最も成功した事例はステンレス鋼です。ステンレス鋼に続いて、過去2年間でチタン合金、高温合金、銅合金、銀処理も登場しました。

ホールリスト：輪郭研磨の下方侵食研磨率はおおよそどれくらいですか？
南京尚済付加製造研究所：この質問は、実際には加工技術の種類に分ける必要があります。たとえば、プラズマ研磨の研磨除去率は、プロセスと時間に応じて調整でき、除去率と除去量は必要に応じて設定できます。

気体、液体、固体に関しては、除去速度が比較的遅いため、一般的に除去効果は小さく、美白処理として使用できます。

研磨流に関しては、比較的大きな力を伴う加工方法であり、除去率と除去量も比較的大きくなります。これは、特定のワークピースのニーズとプロセスと組み合わせて分析する必要があります。

ホールリスト：電解プラズマ研磨は、研磨しながら部品の重量を減らすことができますか？部品の品質はどの程度低下するのでしょうか？
南京尚済付加製造研究所：電解プラズマ研磨は、当社が独自に開発した技術に似ています。どちらもガス塊の爆発エネルギーを利用して剥離を行うもので、多数のマイクロ爆弾が爆発するのと同じです。ワークピースの表面に当たると、表面の金属が確実に除去されます。剥離量や減量量に関しては、お客様のニーズに応じて工程と時間を調整する必要があります。

ホールリスト：タングステンに適した電解質はありますか？
南京尚基付加製造研究所：タングステンは現在、タングステン金属自体の物理的性質が安定しすぎており、化学的性質も安定しすぎているため、扱いが難しいという問題があります。以前いくつか試したことがありますが、磨き効果がありました。しかし、反応中に毒性物質が生成される可能性があると考えたため、テストを継続しませんでした。

ホールリスト：ミラーグレード処理の基準とグレーディングレベルは何ですか？
南京尚済付加製造研究所：鏡面グレードに関しては、お客様とコミュニケーションを取る際に、鏡面グレードへの加工を手伝ってもらえないかとよく尋ねられます。さらに、お客様がどのようなレベルの鏡面グレードを希望しているかを尋ねる必要があります。おおよその粗さの範囲はどのくらいですか?顧客は通常それを知りません。そこで、鏡面グレードについてお話ししたいと思います。どのような成形や加工方法を使用しても、ワークピースの表面にはナイフの跡や凹凸が残ります。これがいわゆる表面粗さで、以前は表面仕上げとも呼ばれていました。当社の一般的な旋盤では、ほとんどが 3.2 ミクロンを達成でき、1.6 ミクロンでもすでに非常に高いレベルの旋削技術です。

もちろん、この 1.6 は、私たちが話している鏡面研磨とはまったく関係ありません。粗さが0.8ミクロンになると、物体の像がより鮮明に映るようになり、ミラー加工の効果が初期段階で得られていると考えています。そのため、エントリーレベルの鏡面は0.8ミクロンとされています。0.8ミクロンの鏡面を加工することは基本的に不可能であり、通常はグラインダーが必要になります。

比較的クリアな鏡面加工レベルの粗さは0.3～0.4ミクロン程度です。粗さが0.1ミクロンまで下がると、高品質の鏡面加工段階に入ります。例えば、0.1は暗い光沢鏡、0.05は通常明るい光沢鏡効果と呼ばれ、0.025は鏡のような光沢のある表面効果を実現し、0.012と0.006は基本的に比較的高水準の鏡面規格であり、これも実現が困難です。

ホールリスト：チタン合金をプラズマ研磨すると変色しますか？
南京尚済付加製造研究所：私の理解では、チタン合金のプラズマ研磨にはそのような問題があるはずです。チタン合金は特に酸化しやすいため、温度に非常に敏感であり、プラズマ研磨には開始時に温度が必要であるため、チタン合金の変色の問題は避けられません。しかし、その変色は通常の酸化処理で得られる酸化スケールとは明らかに異なり、簡単に除去できます。

ホールリスト: 内部キャビティの仕上げから何かアイデアは得られますか?
南京尚済付加製造研究所：より大きな内部空洞の場合は、接触研磨を使用できます。キャビティが比較的小さく、接触型は出入りが不便で、流れが不便なので適していません。比較的直線的な内部キャビティや、直径の変化がそれほど大きくない内部キャビティなど、通常の内部キャビティの場合、研磨フローは依然として比較的成熟した、より優れたソリューションです。内部キャビティまたは内部流路が特に複雑で、研磨剤の流れによって局所的な変形や過剰な研磨が発生する場合は、この技術を使用できます。もちろん、PPT レポートで言及されている低毒性化学研磨技術や低粘度研磨研磨技術などの柔軟な処理技術も効果的であるはずであり、この点についても検討しています。

ホールリスト：研磨フローはより多くの材料を除去できますか？また、粗さはどの程度まで改善できますか？例えば6.3からどれくらい増えるのでしょうか？ 0.8 に改善できますか?
南京尚済付加製造研究所：はい、研磨フロー技術は粘土で包まれた硬い粒子と理解でき、製品の表面で表面摩擦によって除去されます。研磨剤を異なる粒子サイズのものに置き換えることで、異なる粗さの加工効果を実現できます。研磨剤の流れによりミラー効果を実現できますが、複数の研磨剤を変更し、プロセスを複数回調整する必要がある場合があります。

ホールリスト：グリッド構造を持つチタン合金部品の表面研磨に推奨される研磨技術はありますか？
南京尚済付加製造研究所：現在、グリッド構造には流体研磨が唯一の選択肢であり、他の研磨技術は適していないと考えています。

ホールリスト：研磨コストに影響を与える主な要因は何ですか?
南京尚基付加製造研究所：これはかなり多いですね。まず、研磨コストは研磨プロセスの選択に関係している必要があります。まず重要なのは、製品の開始粗さと目標粗さです。この 2 つの差によって、処理プロセスの種類と長さが決まります。たとえば、どのプロセスの組み合わせを選択するか、どのような効果を得るかは、コストと正の相関関係にあります。

2つ目は、製品のサイズと表面積です。表面積が大きければ大きいほど、処理に時間がかかり、消耗品も多く必要になり、コストも高くなります。これらは誰もが理解できることです。もう一つの要因は製品の構造特性です。構造が複雑になればなるほど、加工が難しくなり、加工要件が高くなり、コストも高くなります。例えば、互いに遮るような狭い隙間、曲面、鋭角な角、穴の開いた流路などは、セグメンテーション処理に特殊な技術が必要になる場合があり、相対的にコストが高くなります。

もう一つの要因は製品の材質です。材質によって、硬度、酸化のしやすさ、錆びやすさなどの物理的・化学的特性が異なります。例えば、チタン合金は自然酸化や加工硬化を起こしやすいため、機械加工や従来の加工は非常に困難です。チタン合金の化学的または電気化学的処理の難易度は他の金属よりも高く、他の技術もそれほど成熟していないため、チタン合金の総合的な処理コストも比較的高くなります。

ホールリスト：表面処理方法の違いは、材料の性能にどのような影響を与えますか？
南京尚済付加製造研究所：それは主に材料の表面、受ける力の種類、そして加工後の材料表面の完全性に依存すると思います。例えば、加工や研磨の流れに作用する力は機械的な摩擦力であり、加工後の製品表面には必然的に微小亀裂や残留硬度が生じ、ワークピースの品質や耐用年数に一定の影響を与えます。例えば、製品に残留応力があり、加工硬化が起こると、硬度が増加する可能性があります。

もう一つの腐食の種類は、化学的腐食と電気化学的腐食です。腐食痕が残る場合があり、製品の強度に影響します。また、酸化膜が残る場合もあります。例えば、ステンレス鋼を電気化学的に研磨すると、豊富な複合膜が形成されます。この膜は、製品の耐腐食性に一定の影響を与える可能性があります。プラズマ研磨技術は、主に高エネルギー粒子を製品表面のさまざまな部分に連続的に照射して、ワークピースの表面をしっかりと覆うことによって機能します。そのため、生産される製品の表面は基本的に損傷がなく、残留不純物や応力はありません。そのため、処理された製品の強度変化はあまり顕著ではありません。ただし、硬度がわずかに低下する可能性があります。この均一衝撃処理方法は、加工硬化の影響をある程度排除し、硬度に一定の影響を与える可能性があります。当社の尚吉が開発した仕上げ技術にも同様の特徴があります。

ホールリスト：現在の研磨技術で研磨できる最大面積はどのくらいですか？
南京尚済付加製造研究所: この質問では、研磨技術を選択する前に要件を確認する必要があると思います。一部の技術は大型ワークピースの研磨に適していますが、一部の技術は大型ワークピースの研磨には適していません。ニーズに応じて技術を選択し、この問題を詳細に検討する必要があります。

ホールリスト：誰もが学べる、流路の高精度研磨の事例を紹介します。<br /> 南京尚済付加製造研究所：おそらく最も有名なランナーは金型です。これまで多くの友人が私たちに相談に来ました。金型の場合、その内部要件は鏡面レベルである必要があります。開始レベルは0.06前後で、最高は0.01に達する可能性があり、これは非常に高い鏡面レベルです。

電解研磨や流体研磨などの研磨方法は、部品の幾何学的精度を正確に制御することが難しいため、金型には適さない場合があります。化学研磨、超音波研磨、磁性流体研磨などの方法による表面品質は、粗さグレードの要件を満たさない可能性があります。そのため、金型分野では機械研磨が依然として主流となっています。一般的な研磨工程は、粗い油砥石を使用して金型キャビティの表面を粗く研磨することです。粗研磨の目的は主にナイフマークを除去し、次のレベルの油砥石を使用して前のレベルの粗い油砥石の加工マークを研磨することです。これらの加工痕を段階的に除去した後、目の細かいサンドペーパーで表面を磨き、最後に研磨ペースト、研削ペーストなどを使用してキャビティ表面をさらに仕上げ、鏡のような加工効果を実現します。
もちろん、超音波研磨で磨くことができる金型の部分もあります。この処理効率は比較的高く、業界の一部の人が使用していますが、普及率はまだ高くなく、主に機械労働によって行われています。

ホールリスト：南京尚基の研磨技術は現在どのレベルに達していますか？
南京尚済付加製造研究所：当社の南京尚済研磨技術は、業界のさまざまな研磨技術の特徴に基づいて独自に開発され、電界研磨と流動場研磨の特徴を統合しています。当社の最小粗さレベルは 0.1 ミクロンに達し、良好な鏡面レベルの加工効果を実現できます。さらに、電界と流れ場が相互に影響を及ぼし合うため、処理は均一となり、均一性の面でより多くの作業を行うことができます。

また、当社の技術で加工した製品の形状精度も比較的高く、加工工程を通じて除去率をコントロールでき、製品の寸法公差は±20ミクロンまで達成できます。同時に、当社が加工する製品は、応力や亀裂がなく、加工硬化層もないため、元の材料の性能にほとんど影響を与えません。また、当社が使用する試薬は環境に優しく水溶性であるため、残留物が残らず、製品表面も非常にきれいであるという点も挙げられます。

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