積層造形部品の残留応力を低減するには、構造設計の最適化が鍵となります。

出典: アリアンツ・アジア・パシフィック

残留応力とは、物体に外部要因が作用していないときに、平衡を維持するために物体内部に存在する応力のことです。製造工程中、ワークピースはさまざまなプロセス要因の影響を受けます。これらの要因が消えても、部品に対する上記の影響と影響が完全に消えず、一部が部品に残っている場合、この残留影響と影響が残留応力となります。

残留応力は、金属積層造形が直面する最も重大な課題の 1 つであり、印刷された部品に多大な影響を与え、部品が基板やサポートから剥がれたり、部品に亀裂が生じたりする原因となる可能性があります。これが、金属積層造形部品にサポート構造の追加が必要になることが多い理由の 1 つです。

付加プロセスシミュレーションソフトウェアは残留応力の結果を計算できます。エンジニアリング技術者は、シミュレーション結果に基づいて、最適な配置方向、最適なプロセスパラメータ、結果として生じる変形、およびその他の要因を決定できます。
ANSYS ソフトウェアの積層造形残留応力シミュレーション結果ただし、この段階では、残留応力の分布を改善する方法は依然として設計者の経験に依存します。したがって、積層造形部品を設計するときは、残留応力を回避するという考えを常にエンジニアの心に留めておく必要があります。

残留応力は印刷の失敗の原因となります。残留応力の原因は、次のようなものが挙げられます。

冷却中に部品の表面から中心に向かって存在する温度勾配（特にバルク材料の場合）。部品の内部は部品の外部よりもゆっくりと冷却されます。
塑性変形;
物質の相変化。

残留応力に対処するには通常、いくつかの方法があります。

熱処理により放出される。
加熱成形プラットフォームまたは加熱成形チャンバー;
適切なスキャン戦略を選択します。
合理的な部品構造を設計します。

残留応力を克服する最善の方法は、部品自体の設計を通じて残留応力を可能な限り排除することです。

具体的には以下が含まれます:

厚さの不均一な部分を減らします。
大きな横断的変化を避けるようにしてください。
構造自体の剛性を高める。
各層の焼結面積を縮小します。

シンガポールのテマセク・ポリテクニックは、最適化された設計を通じて金属印刷部品の残留応力を軽減する方法をケーススタディで実証しました。

元の設計では、印刷プロセス中にかなりの残留応力が生じ、部品がビルドプラットフォームまたはサポートから剥がれてしまうほど深刻な状態になりました。

オリジナル部品オリジナル部品の構造はトポロジー的に最適化されていますが、必ずしも金属付加処理に適しているわけではありません。部品には固体の体積が多く含まれており、厚さが不均一な領域が多くあるため、大きなストレスが発生する可能性があります。さらに、鋭い内部コーナーにより応力集中（または応力集中部）が発生し、部品の早期故障につながる可能性があります。

クランプのボルト穴の周囲では、不要な材料を除去して、過度の残留応力が発生するのを防ぐことができます。また、構造の剛性を高めるためにリブが使用されており、リブとシリンダーの接続部分に厚みの不均一が生じないようにリブの幅は2mmとなっています。重量もオリジナルに比べて25%軽量化されています。

部品本体は、厚い中央部分を均一な壁厚の 3 つのブラケットに分割し、これらのブラケットをすべて 3mm の厚さに保った U 字型断面として設計しています。さらに、接合部での応力集中のリスクを回避するために、各内部コーナーは面取りされています。新しい構造の重量は、元のブラケットの 47% になります。

新しく設計された構造は、印刷中に部品がビルドプラットフォームまたはサポートから持ち上がることなく、2 つの異なる方向で正常に印刷されました。小さい部品は水平方向と垂直方向の両方で印刷されますが、大きいメインサポートは、クランプの 1 つを水平位置にし、他の 2 つのクランプを両方とも角度をつけて傾けて、低い印刷高さを実現した状態で 1 つの方向に印刷されます。

製造工程中に部品に蓄積される残留応力を軽減することで、製造完了後の熱処理の必要性も大幅に軽減されます。

さらに、さまざまなレーザースキャン戦略を使用して、残留応力の蓄積を最小限に抑えることができます。

著者について: Ma Limin、Ansem Asia Pacific のシニアエンジニア、付加設計の主任専門家、北京航空航天大学 (COMAC) の博士研究員。彼の主な研究分野は、革新的な設計と積層造形の応用です。彼が設計した製品は、多くの国内の学術賞や業界賞を受賞しています。彼は、革新的な設計と積層造形の応用において豊富な経験と独自の洞察力を持っています。