金属積層造形入門：直接金属レーザー焼結（DMLS）ビギナーズガイド

製品開発が加速するにつれ、設計ルールも変わっています。これが金属積層造形ほど顕著な分野はありません。直接金属レーザー焼結は、医療と航空宇宙産業で大きな可能性を持つ金属積層造形技術です。しかし、初期設計段階から新しい考え方が必要です。多くの面で、製品設計と製造をより速く、より革新的にする新技術を見るとき、設計者が直面しなければならない移行を表しています。

DMLSにはいくつかのメリットがあり、主に設計者が通常とは異なる形状を時間とコストの節約で製造できることです。他の3Dプリント技術と同様、DMLSは高出力レーザーでアトマイズ金属粉末を焼結し、1層ずつ部品を造形します。

なぜ金属部品に積層造形を使うのか？

製品設計者とエンジニアは、切削では容易に作れない有機的形状を試すためにこのプロセスに目を向けることがよくあります。たとえば、受け手にカスタムフィットするインプラント可能な身体部品の製造能力。従来、これらのインプラントは5軸CNCマシンなどの減法製造プロセスで生産する必要がありました。今では、人の実際の骨構造をスキャンし、その身体にカスタマイズされた直接DMLS交換部品をプリントする技術が存在します。

もう一つの機会は、超微細フィーチャーを持つ手術ツールと有機的形状の医療コンポーネントです。これらのデバイスは金属射出成形や鋳造で設計されることがありますが、両方とも比較的高い金型コストと数週間のリードタイムがあります。しかしDMLSなら、最終製品と同等の重量と強度の試作手術用手工具をプリントし、数日で外科医の手に渡せます。従来の金属射出成形は依然として価値があり、より大量では単価が低くなりますが、それでも6〜12週間対数日です。

航空宇宙は金属3Dプリントを素早く採用したもう一つの業界です。航空宇宙でよく見られるインコネルとチタンは、DMLSプロセスで容易に入手可能です。中空構造を持つ複雑な金属部品の製造能力は、軽量化を目指す設計者にさまざまな可能性を開きます。金属3Dプリント部品のもう一つの利点は、部品内に内部冷却チャネルを統合できることです。

時間、コスト削減、設計自由度という属性が、実験、迅速な設計、何が機能するかの検証を可能にする鍵です。しかしDMLSは設計思考のシフトを要求します。最大の調整の一つは、ビルドプロセス中の内部応力導入への適応です。常温金属粉末から始め、瞬時に溶融させる熱を加え、急速冷却が続くことで、ビルドプロセスの各層で応力が発生します。DMLSビルド中に生成される内部応力により、部品はビルド中に上方へカールしようとします。

金属3Dプリント部品の設計方法

金属3Dプリント技術の一般的な用途とメリットについて議論したので、金属3Dプリント部品のフィーチャー設計に関する基本ガイドラインを見てみましょう。

自己支持角度

自己支持角度は、フィーチャーのビルドプレートに対する角度を表します。角度が低いほど、自己支持する可能性は低くなります。各材料で性能はわずかに異なりますが、一般的な経験則は、45度未満の自己支持フィーチャーの設計を避けることです。このヒントはすべての利用可能材料で役立ちます。上図のように、角度が減少すると部品表面仕上げが粗くなり、最終的に角度をあまりに減らすと部品が失敗します。

オーバーハング

オーバーハングは、部品形状の急激な変化である点で自己支持角度と異なります（滑らかな傾斜ではありません）。DMLSは、ステレオリソグラフィや選択的レーザー焼結など他の3Dプリント技術と比較して、オーバーハングのサポートがかなり限定的です。0.020インチ（0.5mm）を超えるオーバーハングには、部品損傷を防ぐため追加サポートが必要です。オーバーハング設計時は限界を押し広げないのが賢明で、大きなオーバーハングは部品ディテールの低下を招き、最悪の場合ビルド全体のクラッシュを引き起こします。

チャネルと穴

内部チャネルと穴は、他の製造方法では不可能なため、DMLSの主要メリットの一つです。コンフォーマルチャネルは部品全体に均一な冷却を提供し、コンポーネントの軽量化を助けます。チャネル直径は0.30インチ（8mm）を超えないことが推奨されます。非支持構造と同様、0.30インチを超えると下向き面が歪みます。この制約を回避するヒントは、円形チャネルの設計を避けること。代わりに、涙滴形またはダイヤモンド形状のチャネルを設計してください。これらの形状に従うチャネルは、チャネル内でより均一な表面仕上げを実現し、チャネル直径を最大化できます。

チャネル直径は0.30インチ（8mm）を超えないことが推奨されます。非支持構造と同様、0.30インチを超えると下向き面が歪みます。この制約を回避するヒントは、円形チャネルの設計を避けること。代わりに、涙滴形またはダイヤモンド形状のチャネルを設計してください。これらの形状に従うチャネルは、チャネル内でより均一な表面仕上げを実現し、チャネル直径を最大化できます。

ブリッジ

ブリッジは、2つ以上のフィーチャーで支持される平らな下向き面です。推奨される最小非支持距離は0.080インチです。他の3Dプリント技術と比較して、この距離は急速な加熱と冷却の応力により比較的短いです。下図では、非支持距離が増加するにつれてブリッジが支持構造を引き込む様子がわかります。この推奨限界を超える部品は、下向き面の品質が悪く、構造的に健全ではありません。

金属3Dプリント部品の後処理

マシン内で部品のビルドが完了したら、機械的特性、表面仕上げ品質の向上、部品フィーチャーが公差内にあることの確認のためにいくつかのステップを踏めます。

熱処理

部品ビルド後、熱処理を実施する必要があります。これは焼結プロセス中に発生する内部応力を緩和するのに役立ちます。ビルドの応力は部品のエッジに向かって放射状に広がり、各追加層で蓄積します。たとえば、厚い断面を持つ部品はより多くの応力を持ちます。これに対処できる熱処理プロセスは多様です：

• 真空炉： 部品を真空密封炉内に配置し、高温環境に曝露して内部応力を低減。
• 熱間等方圧（HIP）： 一般的にHIPと呼ばれ、部品に圧力と熱の両方を加えて多孔性を減らし密度を増やします。

ビルド後CNC加工

一部の用途では、金属コンポーネントを3Dプリントした後に追加加工が必要になる場合があります。これは、全体形状が積層造形で生産される必要があるが、特定フィーチャーで厳しい公差や改善された表面仕上げ品質が必要な場合に有用です。たとえば、複雑な冷却チャネルを持つロケットエンジンコンポーネントに、±0.001インチの公差を必要とする嵌合フィーチャーがある場合。場合によっては、ビルド後CNC加工でチップが減り材料利用効率が良くなるため、コスト削減にもなります。

品質検査

積層造形で造形された金属部品は、寸法検証や材料微細構造の評価を必要とすることがよくあります。これには、三次元測定機（CMM）を使用して部品フィーチャーが公差内にあるか検証できます。CTやX線スキャンも内部フィーチャーの検査と構造的完全性の非破壊検証に使用できます。

金属3Dプリントについてさらに学ぶ

DMLSと金属3Dプリント全般についてさらに学びたい方には、いくつかのリソースがあります。まず、金属部品製造に関するホワイトペーパーをお読みください。これは切削と3Dプリントの両方をカバーし、あなたの用途に最適なプロセスを決めるのに役立ちます。また、オンデマンドウェビナー「金属3Dプリントのための設計」で、積層造形のための金属部品設計についてさらに詳細をご覧いただけます。