金属 3D プリントで複雑な構造をサポートするのは難しいですか?

一、サポートの必要性: 複雑な構造を持つ印刷の諸刃の剣-
金属 3D プリントでは、支持構造は多くの目的に役立ちます。
機械的サポート: 吊り下げられた構造物が印刷中に重力や熱によって落下したり形状が変化したりしないようにします。たとえば、航空機エンジンのブレードにサポートがないと、溶融プールの凝固段階で薄い壁が曲がってしまう可能性があります。
熱管理: 支持構造を通して熱を移動させて、局所的な温度差が大きくなりすぎないようにし、残留応力が蓄積しないようにします。たとえば、チタン合金インプラントを印刷する場合、材料が急激に冷えたときにサポートによって微小亀裂の形成を防ぐことができます。
プロセスの安定性: 粉末床溶解技術では、粉末が流れたりスクレーパーが当たったりしても部品が動かないように、支持フレームワークが部品を所定の位置に保持します。
しかし、支持構造を持つことには大きな問題もあります。
材料の無駄: サポート材の量は部品の総重量の 30% ～ 50% を占める場合があり、すべてをリサイクルするのは困難です。
後処理の費用: 機械を使ってサポートを除去するには多大な労力がかかり、部品の表面に損傷を与える可能性があります。たとえば、医療用インプラントは、生体適合性基準を満たすために、設置後にさらに研磨する必要があります。
設計の制限: 従来のサポート システムでは 45 度を超える吊り下げ角度が必要であり、複雑な内部流路や格子構造などの新しい設計を使用することが困難です。
2、技術的課題：材料の特性と構造の複雑さを同時にテストする
1. 素材の特性の違いによりサポートが難しくなる
さまざまな金属材料の物理的および化学的性質は、支持プロセスに大きな影響を与えます。
チタン合金は非常に活性が高く、酸素や窒素と容易に反応して硬くて脆い層を形成します。使用しないときは不活性ガスから保護する必要があります。たとえば、Ti6Al4V プリント部品をサポートする場合、酸素の量を 50ppm 以下に保つ必要があります。そうしないと、部品自体が発火する可能性があります。
ステンレス鋼は錆びに非常に強いため、化学薬品や高圧ウォーター ジェットを使用して洗浄できます。- 316L ステンレス鋼のブレードをアルカリ洗浄液に浸し、超音波洗浄を使用すると、粉の 99.5% を除去できます。
アルミニウム合金は融点が低いため、一般的な振動洗浄方法で洗浄すると形状が変化する可能性があります。 AlSi10Mg プリントからサポートを除去するには、熱応力集中を引き起こすことなく -78.5 度の低温で固体粒子を衝突させる CO₂ スノー ジェット技術を採用する必要があります。
2. 構造をより複雑にして物事を難しくする
複雑なアーキテクチャでは、サポートされていないプロセスに対する要求が高くなります。
多孔質構造: 整形外科用インプラントの多孔質層の厚さは通常 3 mm 未満で、残留粉末の量は 0.1 mg/cm 2 未満である必要があります。ある医療会社では、真空吸着技術と360度回転する治具を使用し、粉体回収率98.7％を達成しています。
-薄肉構造: 航空エンジンのブレードの壁厚が 1 mm 以下の場合、所定の位置に維持するには機械的応力を調整する必要があります。 GE では、時効処理とともに低温粉末除去 (-196 度の液体窒素で冷却) を採用し、残留応力を 50MPa 未満に下げ、亀裂の形成を防ぎます。
内部キャビティの構造: タービンディスクの内部キャビティサポートを取り外すには、特別な工具を作成する必要があります。特定のタービンディスクモデルには、遠心力を利用して粉末を押し出し、層流（0.5m/s）を表面に沿って吹き付ける取り外し可能なコアシャフトがあり、内部チャンバーの清浄度基準を満たしています。
3、新しいアイデア: プロセスの改善からスマートなデザインへ
1. 教師なし印刷技術は、従来の印刷の限界を回避します。
いくつかの複雑な構造は、印刷経路と粉末の特性を調整することで、サポートなしで印刷できるようになりました。
小角度のサポートなし成形: Leiming Laser 製の LiM-X260A 装置は、レーザーのエネルギー密度とスキャン方法を最適化することで、5 度から 35 度まで吊り下げられたチタン合金部品を印刷できます。部品の密度は 99.9% です。
インテリジェントな経路計画: 中国ロケット技術アカデミーの戦術チームは、粉末の粒度分布 (D50=45 μ m) とレーザー スキャン速度 (800mm/s) を変更しました。また、応力分布シミュレーションを使用して、複雑なロケットキャビン構造のサポートなしでの印刷を可能にしました。表面精度はミリメートルレベルに達し、後処理の必要性は 60% 削減されました。{4}}
2.サポート構造の改良により脱ぎ履きが楽になりました。
溶解可能なサポート: アリゾナ州立大学は、ステンレス鋼部品に炭素鋼サポートを印刷し、硝酸溶液を使用して炭素鋼を選択的に浸食することにより、電気化学的サポートを除去する方法を考案しました。厚さ 7mm のサポートは、ピースの表面を傷つけることなく、6 時間以内に完全に剥がすことができます。
破断点の設計: 砂時計型の破断点を支持構造に追加し、事前に設定された応力集中位置を使用して破断を制御します。-たとえば、自動車の一部には歯の形をしたサポートがあり、少しの力で簡単に取り外すことができます。{3}表面の傷は深さ0.05mm未満です。
3. シミュレーションの最適化により、サポートの必要性が軽減されます。
VoxelDance Engineering などのプロセス シミュレーション ツールは、印刷中に熱ストレスがどのように分散されるかを把握し、サポート構成を改善できます。たとえば、クローズド インペラ モデルでは、シミュレーションを通じて必要なサポートの量が 60% 削減され、印刷時間が 50 時間に短縮され、スクレーパーの衝突の可能性が最小限に抑えられました。