熱処理により金属 3D プリント部品の寸法変化が生じる理由
主な推進力は、SLM プロセスの急速な溶融および凝固中に蓄積された残留応力の解放です。加熱中に応力が緩和されると、部品が反ったり、縮んだり、ねじれたりすることがあります。
追加の要因には次のようなものがあります。
加熱/冷却サイクル中の熱膨張と熱収縮。
体積変化を引き起こす相変態（チタン合金など）。
サポート構造の影響 - サポートは、一部の領域では歪みを抑制できますが、他の領域では歪みを許容します。
800 度で応力除去を受けた Ti-6Al-4V 脊椎ケージでは、長さ 80 mm にわたって 0.15 ～ 0.25 mm の反りが発生しました。これは、重要な合わせ面を公差の外に押し出すのに十分でした。
金属3Dプリント熱処理中の寸法変化は、積層造形特有の熱履歴の直接の結果です。
実際にどの程度の寸法変化を予想すべきでしょうか?
標準的な応力緩和の一般的な歪み範囲は 0.1 ～ 0.5% の線形変化ですが、これは形状やプロセスによって大きく異なります。複雑な形状、薄い壁、長いオーバーハングにより歪みが増幅されます。 HIP は圧力によりより均一な (ただし、場合によってはより大きな) 変化を引き起こす傾向がありますが、単純な応力緩和ではより局所的な反りが発生します。
データ表: 代表的な寸法変化範囲
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材料 |
ストレス解消 |
ヒップ |
溶液処理とエージング |
注意事項 |
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Ti-6Al-4V |
0.1–0.4% |
0.2–0.6% |
0.15–0.5% |
相転移に敏感 |
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316Lステンレス |
0.05–0.25% |
0.1–0.3% |
N/A |
比較的安定している |
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CoCr合金 |
0.1–0.35% |
0.15–0.4% |
0.2–0.45% |
超硬の効果 |
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インコネル718 |
0.08–0.3% |
0.1–0.35% |
0.1–0.4% |
優れた安定性 |
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AlSi10Mg |
0.2–0.7% |
限定された使用 |
N/A |
最高の感度 |
SLM の寸法公差の後処理には、事前の計画が必要です。{0}
材料-別-熱処理下の材料寸法挙動
Ti-6Al-4V: 882 度付近の / 相変態 (ベータ トランザス) により高感度です。注意深く制御しないと、歪みが発生するのが一般的です。
316L ステンレス鋼: より安定していますが、感作範囲 (450 ～ 850 度) を避ける必要があります。
CoCr 合金: 炭化物の析出により体積が変化します。
インコネル 718: 寸法安定性は良好ですが、経年劣化による固着による利点があります。
AlSi10Mg: 非常に歪みが発生しやすい-。より低い温度に限定されます。
17-4PH: 老化中の予測可能な収縮。
データテーブル: 材料-の特定の動作
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材料 |
典型的な温度範囲 |
相変化のリスク |
典型的な線形シフト |
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Ti-6Al-4V |
700 ～ 950 度 |
高い |
0.1–0.5% |
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316L |
600～1100度 |
中くらい |
0.05–0.3% |
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AlSi10Mg |
200～300度 |
低い |
0.2–0.7% |
寸法変化の制御における部品設計の役割
スマートな設計によりリスクが大幅に軽減されます。
均一な肉厚を維持します。
対称性とバランスのとれた質量分布を使用します。
サポート構造を最適化して重要な領域を制限します。
オーバーハングの歪みを最小限に抑えるために、ビルド プレート上のパーツの向きを調整します。
公差が厳しいフィーチャに機械加工ストックを追加します。-
データ表: 設計の特徴と歪みのリスク
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デザインの特徴 |
歪みのリスク |
緩和戦略 |
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薄い壁 (<2mm) |
高い |
リブまたは一時的なサポートを追加する |
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長いオーバーハング |
高い |
向きとサポートを最適化 |
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非対称ジオメトリ |
高い |
質量のバランスを取るか、治具を使用する |
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均一なセクション |
低い |
標準的なストレスリリーフ |
金属3Dプリントによる熱処理設計（DfAM）は必須です。
歪みを最小限に抑える治具とプロセス制御
カスタム フィクスチャは、新たな応力を生み出すことなく動きを制限します。
制御された昇温速度とゆっくりとした冷却が重要です。
真空または不活性ガス雰囲気では、酸化に関連した問題が軽減されます。{0}
HIP では、自立焼鈍に比べてより等方性の収縮が生じることがよくあります。{0}}
インコネル 718 航空宇宙用ブラケットを加工するメーカーは、エージング中にカスタムのグラファイト固定具を使用し、150 mm のフィーチャでの寸法のばらつきを ±0.3 mm から ±0.08 mm に減少させました。
寸法変化の予測
FEA- ベースの歪みシミュレーションは便利ですが、実際の AM データを使用した検証が必要です。経験的な事前補正（STL のスケーリングまたは事前歪み）と最初の記事検査が標準です。-大手サプライヤーは、材料-とプロセス-の特定のデータベースを維持しています。
-熱-処理後の機械加工
熱処理後の機械加工は、厳しい公差を実現する最も信頼性の高い方法です。機能と材質に応じて、0.2 ～ 1.0 mm のストックを残してください。 CNC 仕上げ、EDM、研削が一般的に使用されます。
データ表：推奨加工代
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機能の種類 |
Ti-6Al-4V |
316L |
インコネル |
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クリティカル嵌合 |
0.5～0.8mm |
0.3～0.6mm |
0.4～0.7mm |
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一般的な表面 |
0.3mm |
0.2mm |
0.3mm |
熱処理後の寸法検証
CMM を限界寸法に使用し、3D スキャンを使用して完全な偏差マッピングを行い、歪みの影響を最も大きく受ける平面度、平行度、真の位置などの GD&T 機能に焦点を当てます。リピート部品のデータベースを構築します。
よくある質問
熱処理により金属 3D プリント部品は収縮しますか?
合金、プロセス、形状によっては、収縮、膨張、または反りを引き起こす可能性があります。最も一般的なのは、わずかな収縮または局所的な歪みです。
SLM Ti-6Al-4V の応力除去後はどの程度の寸法変化が予想されますか?
通常は 0.1 ～ 0.4% の直線性があり、大きな部品では最大 0.2 ～ 0.5 mm の反りが発生します。正確な値はジオメトリとパラメータによって異なります。
熱処理後に金属 3D プリント部品を機械加工できますか?
はい - これは、最終的な厳しい公差を達成するための標準的な方法です。
SLM 部品の熱処理中の歪みを制御する最良の方法は何ですか?
優れた DfAM (均一なセクション、サポート)、適切な治具、制御されたランプ速度、および加工後のストックを組み合わせます。-
HIP は応力除去焼鈍よりも大きな寸法変化を引き起こしますか?
HIP は圧力により均一な収縮を引き起こすことがよくありますが、自由焼鈍の反りよりも予測しやすくなります。
金属 3D プリント部品を熱処理した後に寸法精度を確認するにはどうすればよいですか?
CMM、3D スキャンを使用し、適切な GD&T による治療前および治療後の測定値と比較します。-