Fraunhofer IAPT 表面仕上げ研究: どの 3D プリント後処理方法が自分に適していますか?

はじめに: 表面粗さの点では、金属 3D プリント部品は表面品質要件を満たさないことが多く、そのため仕上げが必要になります。表面処理プロセスは、3D プリントプロセス自体と同様に、完成部品の最終的な品質に大きな影響を与えます。したがって、さまざまな表面仕上げ方法の長所と短所を理解し、これらの方法を最大限に活用し、部品設計の段階でできるだけ早い段階で考慮する必要があります。
△フラウンホーファーIAPTの表面仕上げ研究アンタークティックベアは、フラウンホーファーIAPTのいくつかの研究が複雑な金属積層造形部品の後処理技術に特に焦点を当てており、アプリケーション指向の意思決定支援を提供して積層造形の産業化をさらに加速していることを知りました。この研究では、3D プリントされた金属部品に対するさまざまな仕上げプロセスの影響を示し、さまざまなプロセスのパフォーマンスを客観的に比較します。
積層造形された金属部品の後処理の課題<br /> 付加製造は、コンポーネントを層ごとに作成するための多数の異なるプロセスをカバーします。金属分野で最も成熟したプロセス変種は、レーザービーム粉末床溶融結合 (LB-PBF) です。通常、アンダーカット、複雑な構造、または内部通路は、従来の製造方法と比較して、部品の設計に大きな制限を課すことはありません。一方、この製造方法は、層の厚さ（通常 20 ～ 60 μm の範囲）と溶融プールの幅によって決まる解像度の点で制限があります。最終的な表面品質は、解像度とそれに伴う階段状効果、印刷中の熱バランスの違い、またはサポート構造の追加によって影響を受けます。その結果、3D プリントされたコンポーネントの表面は非常に不均一になり、部品のさまざまな部分で粗さの度合いが異なります。さらに、部品の複雑さは、研磨剤やその他の除去媒体へのアクセスの点で、表面仕上げの潜在的な問題となることがよくあります。したがって、3D プリントされたコンポーネントの表面の不均一性と設計の自由度により、後処理方法のパフォーマンスと柔軟性に対する要求が高くなります。
どの後処理方法が私に適していますか?
Fraunhofer IAPT は、市場にある積層造形部品の表面平滑化に関する現在のソリューションの長所と短所の包括的な概要を提示します。この表面処理研究では、8 つの異なる後処理方法を詳細に評価し、さまざまな主要機能を満たし、実際の 3D 印刷アプリケーションに適した、さまざまな形状の 3 つの幾何学的デモンストレーターを開発しました。このデモンストレーターにより、表面粗さ、硬度、アブレーション率、エッジの丸み、浸透深さ、可読性、コストという 7 つの主要基準を徹底的に評価できます。
△異なる幾何学的特徴を持つ3つのデモンストレーターデザイン。画像提供：Fraunhofer IAPT。
LB-PBF プロセスを使用して、一般的に使用される 3 つの合金 AlSi10Mg (アルミニウム)、1.4404 (鋼)、および TiAl6V4 (チタン) を研究し、材料の具体的な違いを特定しました。合計で 100 個以上のテストピースが印刷され、17,000 個のセグメント測定が行われ、測定に 700 時間の工数が費やされ、すべての結果が 120 ページのレポートにまとめられました。このレポートでは、3 つの材料研究基準すべてについて、各方法のパフォーマンスの概要を明確に示します。さらに、結果として得られる表面品質に関する詳細なデータも提供します。
△サンドブラスト後のチタン部品の表面品質。画像提供：Fraunhofer IAPT。
レポートには、各後処理方法のパフォーマンスに関する詳細な情報が提供され、異なるプロセス間の粗さの値の大きな偏差が明確に示されます。結果は、観測された表面積にも大きく依存します。研究では、適切な仕上げ工程を選択することでチタン部品の表面品質を大幅に向上できることが判明しました。さらに、従来のサンドブラストでは表面粗さが 50% 以上減少して約 7 μm [平均 Sa] になりましたが、他のプロセスでは 1 μm という低い表面粗さが達成されています。

△ 8種類の後処理方法による比表面積チタン部品の粗さデータ。画像提供：Fraunhofer IAPT。
表面品質は部品の特性にどのように影響しますか?
しかし、外観がすべてではありません。2 番目の研究 (積層造形疲労研究) では、特に疲労性能に焦点を当てて、さまざまな表面処理方法が AM 部品の機械的特性に与える影響を調査しました。選択された材料（TiAl6V4、IN718 [インコネル]）の疲労挙動は、測定された表面品質と必ずしも直接相関するわけではないことが観察されました。理由としては、疲労耐性に特に影響する特定の表面特性とプロセス特性が挙げられます。たとえば、仕上げ方法によっては、疲労耐性を 80% 以上向上させることができます。一方、他の仕上げ方法で得られる仕上げ性能は、仕上げ面よりもさらに劣ります。
△積層造形疲労研究成果。画像提供：Fraunhofer IAPT。
Fraunhofer IAPT の調査では、プロセスのスケーラビリティやコストの分類など、他の多くの調査結果も得られます。独立した透明性の高いプレゼンテーションにより、積層造形、設計、開発、生産エンジニアにとってわかりやすい意思決定支援を提供することを目的としています。

レポートアドレス: https://www.smartechanlysis.com/reports/surface-finish-study-by-fraunhofer-iapt/

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