レニショー: 金属 3D プリントにおける残留応力への対処方法

レニショー: 金属 3D プリントにおける残留応力への対処方法
はじめに: 残留応力は、急速加熱と急速冷却によって必然的に生じるものであり、レーザー粉末床溶融プロセスの固有の特性です。英国の金属 3D プリントメーカー Renishaw は、金属 3D プリントにおける残留応力を「打ち消す」方法をまとめました。

それぞれの新しいビルド層は、集中したレーザーを粉末床全体に移動させることによって形成され、粉末の最上層が溶けて下のビルド層と融合します。熱い溶融池からの熱が下の固体金属に伝わり、溶融金属が冷えて固まります。このプロセスは非常に高速で、わずか数マイクロ秒しかかかりません。

新しい金属層が下にある金属の上で固まり、冷えると収縮が起こります。しかし、この収縮により、基礎となる固体構造の制約により、層間にせん断力が生じます。
レーザーは固体基板の上の粉末を溶かして、新しい溶接ビードを形成します (左)。レーザーはスキャン ベクトルに沿って移動して粉末を溶かし、その熱が下の固体金属に伝わった後、粉末は冷却されます。金属が冷えて固まると収縮し、次の層との間にせん断力が生じます(右)

残留応力は破壊的です。新しい処理層を重ねていくと、応力が生じて蓄積され、部品が変形したり、端が丸まったり、サポートから外れたりすることがあります。

より極端な場合には、応力が部品の強度を超え、コンポーネントの破壊的な亀裂やビルドパレットの変形を引き起こす可能性があります。


これらの影響は、断面が大きい部品で最も顕著になります。断面が大きい部品では、溶接ビードが長くなり、せん断力が作用する距離が長くなる傾向があります。

残留応力を最小限に抑える<br /> この問題を解決する 1 つの方法は、スキャン戦略を変更し、加工する部品の形状に最適な方法を選択することです。
部品の中心をレーザー トラックで埋めるときは、通常、レーザーを前後に動かします。このプロセスは「スキャン」と呼ばれます。
選択するモードはスキャン ベクトルの長さに影響し、部品に蓄積される可能性のある応力のレベルにも影響します。スキャン ベクトルが短いほど、残留応力は小さくなります。
迂回スキャンモード
• 各レイヤーをスキャンした後、67°回転します
• 高い処理効率
• 残留応力が徐々に増加する
• より小さく薄い特徴に適しています
ストライプスキャンモード
• 残留応力の均一な分布
• 大型部品に適しています
• チェスボードスキャンモードよりも処理効率が高い
チェッカーボードスキャンモード
• 各層は5 x 5 mmの複数の島に分割されています
• 各レイヤーをスキャンした後、全体のパターンと各アイランド領域を67°回転します。
• 残留応力の均一な分布
• 大型部品に適しています

また、ある加工層から次の加工層に移動するときにスキャン ベクトルの方向を回転させて、応力がすべて同じ平面に集中しないようにすることもできます。
多くのレイヤーが処理された後もスキャン方向が正確に繰り返されるように、レイヤー間では通常 67 度の回転が使用されます。
ビルドプレートを加熱することも残留応力を軽減する方法であり、後処理の熱処理によっても蓄積された応力を軽減できます。

残留応力設計の推奨事項<br /> 設計により残留応力を最小限に抑える
• 広範囲にわたる継続的な溶解を避ける
• 断面の変化に注目してください
• 厚いベースプレートを積層造形部品に統合するハイブリッド処理
• ストレスが高くなる可能性がある場合は、より厚いビルドプレートを使用する
• 適切なスキャン戦略を選択する

出典: レニショー


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