金属3D印刷が直面する5つの一般的な問題–そしてそれらをどのように修正できるか

金属3D印刷はここ数年で目覚ましい進歩を遂げ、企業は非常に複雑な産業用アプリケーション向けのテクノロジーにますます投資しています。ただし、軽量で洗練された金属部品を製造する利点に加えて、金属3D印刷プロセス中に克服する必要のある多くの課題もあります。今日のチュートリアルでは、金属を3D印刷するときに直面する主な問題と、それらを解決する方法について説明します。

金属3D印刷–概要

金属3D印刷に関しては、さまざまな印刷プロセスがあります。これらは大きく3つのグループに分けることができます：

• 粉末床融合プロセス（SLM、EBM）
• 直接エネルギー堆積（DED）
• 金属バインダーの噴射

パウダーベッドフュージョン はAMを使用して金属部品を製造するための最も一般的な方法であり、レーザービーム（SLM）または電子ビーム（EBM）を使用して、ビルドプラットフォームに均一に分散された粉末材料の層を選択的に溶融します。

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直接エネルギー蓄積 さまざまな技術をカバーしており、通常、ビルドプラットフォームに堆積する前に、材料をレーザーまたは電子ビームで溶融するプロセスが含まれます。次に、オブジェクトはレイヤーごとに形成されます。このプロセスではポリマーとセラミックを使用できますが、DEDは通常、粉末またはワイヤーの形の金属で使用されます。

金属バインダーの噴射 プリントヘッドを使用して液体結合剤を粉末の層に塗布し、粉末粒子を層ごとに融合させます。次に、結合した粉末に別の金属（通常はブロンズ）を任意に浸透させて、より高い密度を実現できます。

各プロセスには長所と制限がありますが、金属を3D印刷するときに一般的に発生する一般的な問題があります。これらの課題は、金属の3D印刷部品に可能な限り最高の機械的特性を実現するために必要です。

注意すべき5つの一般的な問題

1。気孔率

3D印刷された金属部品は、多くの場合、高い多孔性に悩まされます。これは、部品内に小さな穴や空洞が形成されるため、印刷プロセス中に発生します。これらの小さな、通常は微細な細孔は、密度を低くする可能性があります。細孔が多いほど、部品の密度は低くなります。また、部品の機械的特性に直接影響を与える可能性があり、特に高負荷にさらされたときに、亀裂やその他の損傷を受けやすくなります。

多孔性の高い3D印刷された金属部品には、通常2つの主な理由があります。それは、粉末製造技術の問題によるものか、3D印刷プロセス自体によるものです。たとえば、ガス噴霧を使用すると、粉末材料に細孔が形成される場合があります。ただし、このような小さな穴のより一般的な原因は、エネルギーが不十分で金属を適切に溶かすことができない場合の印刷プロセスです。逆も当てはまります。過剰なレーザーエネルギーにより、溶融した材料の液滴が飛び散り、細孔が発生する可能性があります。

金属部品の気孔率を減らす方法

幸い、3D印刷された金属部品の多孔性を排除し、より強力で耐久性のある部品を実現する方法はいくつかあります。

• 材料の品質が高い多孔性の原因となる場合があるため、信頼できるサプライヤーから原材料を購入するようにしてください。
• 印刷プロセス中に発生する多孔性は、プリンタのパラメータを調整することで解消できます。

• 熱間静水圧プレスなどの後処理方法を使用すると、正しい密度を実現できます。これにより、3D印刷された金属部品の機械的特性を改善しながら、可能性のある空洞を排除します。
• 粉末床溶融部品の場合、浸透は別の後処理オプションです。この方法は、金属部品の残りのボイドを埋めるために使用されます。

2。密度

金属3D印刷部品の産業用途では、高い機械的特性が必要になることがよくあります。そのため、部品の密度が非常に重要になります。部品が繰り返し応力条件下で動作する場合、その密度によって、負荷がかかった状態で部品が破損するかどうかが決まります。つまり、部品の密度が低いほど、圧力下で亀裂が発生する可能性が高くなります。粉末床技術（SLM、EBM）は、98％以上の密度の部品を製造できます。これは、ストレスの多いアプリケーションに不可欠です。

パーツの密度を向上させる

パーツの品質と密度を一定に保つには、粒子サイズ、形状、分布、流動性など、材料の特定のパラメータを最適化する必要があります。球形の粒子は、たとえば、他の形状と比較して最大の相対密度を達成できるため、密度が高くなる可能性があります。

ただし、部品の密度に影響を与える可能性のあるさまざまな変数があるため、一般的な経験則では、最初に金属粉末の品質を検討し、それに応じてプロセスのパラメータを調整します。

3。残留応力

加熱とそれに続く冷却は、金属AMプロセスの一般的な機能です。ただし、部品がこのような極端な熱変化にさらされると、残留応力が発生する可能性があります。残留応力は、製造部品の完全性に悪影響を及ぼし、さまざまな形の変形を引き起こします。残留応力が最も集中するのは、印刷部品の底部と印刷ベッドの間の接触領域です。

残留応力の低減

残留応力は金属印刷の成功と構造的破損の違いを生む可能性があるため、この問題は適切に対処する必要があり、そのための方法はいくつかあります。

• 予測モデリングを使用して、残留応力の低いコンポーネントを構築するために、入熱や層の厚さなどの適切なパラメータを推定できます。
• サポート構造を実装し、パーツの方向を最適化することで、残留応力の発生を最小限に抑えることもできます。
• 印刷を開始する前に印刷ベッドとビルド材料を予熱すると、残留応力の原因となることが多い温度勾配が減少します。ただし、EBMは低温で動作するため、この手法はSLMやDEDよりもEBMの方が効果的です。
• 粉末床溶融プロセスでは、「島」スキャン戦略が残留応力の蓄積を軽減するのに役立ちます。この戦略は、露光領域を「島」と呼ばれる小さなセクションに分割することで機能し、スキャンベクトルの長さを短くします。

4。ひび割れと反り

残留応力は非常に破壊的である可能性があり、その結果、部品に多くの構造上の問題が発生し、その中で亀裂や反りが最も頻繁に発生します。このような問題は通常、印刷後に溶融金属が冷えるときに発生します。冷却すると収縮が発生し、パーツのエッジが丸まって変形します。極端な場合、応力が部品の強度を超えて、部品に亀裂が生じる可能性があります（粉末材料が適切に溶融していなかった場合にも亀裂が発生する可能性があります）。

ひび割れや反りの防止

金属部品のひび割れや反りを防ぐには、主に2つの方法があります。 1つのオプションは、プリントベッドを予熱することです。もう1つのオプションは、パーツのプリントベッドへの接着を改善し、必要な量の支持構造を配置することです。熱後処理は、小さな亀裂の修復にも役立ちますが、パーツに正しい数の支持構造を確立することは、本質的に反りを防ぐことです。

5。後処理と表面粗さ

通常、金属部品は、最初に印刷された時点では最終用途の準備ができておらず、粉末やサポートの除去、熱処理、表面仕上げなど、何らかの形の後処理を行う必要があります。しかし、非常に多くの場合、後処理ステップ中にいくつかの課題に遭遇します。

たとえば、パーツのサポート構造を削除する際に問題が発生する可能性があります。これは、たとえば、金属部品の小さな穴やチューブにサポートがある場合に発生する可能性があります。これらは部品に損傷を与えずに取り除くのが難しい場合があり、その後の機械加工が必要になります。

表面粗さは別の問題です。ハイエンドアプリケーション向けに追加で製造されたコンポーネントには、平均的な表面粗さが必要ですが、3D印​​刷部品は多くの場合、粗い表面で製造され、より良い仕上がりを実現するために、機械加工、研削、研磨などの追加の後処理が必要です。表面粗さは層の厚さに直接関係するため、より薄い層で印刷することで軽減できます。ただし、これにより、より細かい層を使用してパーツを作成すると、ビルド時間が大幅に増加する可能性があります。

粗い表面は、不適切な粉末の溶融によっても発生する可能性があります。これは、金属を完全に溶かすのに十分なエネルギーが加えられていない場合に発生します。この場合、レーザーの出力を上げることで表面粗さを減らすことができます。

まとめる

AMを使用して金属部品を製造する場合、さまざまな潜在的な課題がありますが、これらの課題を理解することは、高品質で信頼性の高いコンポーネントを製造するための最初のステップです。また、金属3D印刷の継続的な成長に伴い、産業用アプリケーションで使用される追加的に製造された金属部品の使用が確実に増加するでしょう。