サポートの追加と削除は、金属積層造形 (AM) における長年の課題でした。 ダイレクト メタル レーザー シンタリング (DMLS) を例にとると、熱応力による変形を回避し、溶融プールから熱を逃がすために、造形前にモデルをサポート構造で事前に設定する必要があります。 これらのブラケットは、全体として設計および製造の一部です。 建設後、支持構造物は解体され、廃棄されました。 サポートがない場合、特定の傾斜角 (通常は約 45 度) を下回るカンチレバー構造を印刷することは困難です。これにより、多くの場合、金属 3D 印刷システムのユーザーの選択肢が制限され、多くの機器 OEM や付加製造ソフトウェア会社にももたらされます。 大きな挑戦です。
上記の問題を解決するために、EOS の会社である Additive Minds の専門家は、ステーター リング、ハウジング、ターボ ポンプ、オイル タンク、熱交換器、バルブ、インペラーなどのサポート構造のない 3D プリント部品を製造するためのさまざまなプロセス最適化技術を開発しました。閉じたインペラは、より典型的なケースの 1 つです。 最適化された設計ソフトウェアとパラメーター パッケージにより、EOS を使用すると、ユーザーはカンチレバーとブリッジをより低い角度 (場合によってはゼロ) で印刷でき、必要なサポートが大幅に少なくなるか、サポートが不要になります。
サポートなしのアディティブ マニュファクチャリングでは、追加のサポートを取り外す必要がないため、後処理段階で多くの時間を節約できます。 手作業による除去の場合、従業員の時間とエネルギーを他の作業に振り向けることもできます。 また、サポート構造のない部品の製造では、材料の無駄が削減されます。これは、廃棄物がなく、部品のすべての側面とサポート設計が必要であるためです。 ただし、これは簡単なプロセスではありません。ソフトウェア設計の専門家やメーカーは、サポートされていない設計の問題に何年も取り組んできました。
この記事では主に、EOS の専門家がサポートされていない方法を使用してインペラーを構築する方法を示します。 密閉型またはシュラウド型のインペラーは多くの業界で使用されており、サイズ、形状、材料、および性能要件が大きく異なります。 密閉されたインペラは、高回転速度、腐食性の高い媒体、極端な温度による機械的負荷などの極端な条件にさらされることがよくあります。 たとえば、宇宙ロケットのターボポンプ用途、マイクロタービンの圧縮システム、石油およびガス用途の海水ポンプなどです。
従来の金属 3D プリントの設計要件をサポート
サポート付きの 3D プリント パーツを設計することは、アディティブ マニュファクチャリング (AM) の標準的なアプローチです。 サポートの数、サイズ、および位置は、さまざまな要因によって決まります。
印刷中の残留応力により、3D モデルが変形する可能性があります。 この変形を物理的に防止するためにサポートを追加できます。
部品の中間ビルドに影響を与えるリコータの中断は、部品を振動させたり、損傷を引き起こしたりして、ジョブの失敗につながる可能性があります。 ブラケットは、リコーターによる影響から部品を保護するために使用されます。
サポートを介した熱伝達により、ビルド プロセス中に部品をより速く冷却して成形することができます。
3D プリンターがパーツを構築して正常に生成できるようにするには、サポートの設計に影響を与えるさまざまな理由を考慮する必要があります。
パーツの向きによって、サポートする必要があるパーツの量が決まります。 通常、パーツがビルド プレート上に大きな表面積がないように配置されている場合、上記の要因を補うために、より多くのサポートが必要になります。
オーバーハングが 45 度以下の場合、一般的にサポート構造が必要と考えられています。
チャネルと穴は、そのサイズと方向が効果的でないかどうかによって、サポートなしで変形する場合があります。
モデル設計
適切な専門知識と創造的な問題解決スキルを備えた EOS のチームは、モデルを設計および構築する新しい方法の開発に成功し、「低いディップはサポートを追加する必要がある」という先入観を打ち破り、優れた結果をもたらしました。 サポートされていない構造と DMLS プロセスの機能を実証するためにこの記事で使用されたインペラは、EOS Additive Minds によって設計されたもので、直径 150 mm で、12 枚のブレードと 10 度までのオーバーハング角度を備えています。
部材の傾斜方向と支持構造
インペラは通常、取り外しが困難な内部サポートを避けるために傾斜した向きで印刷されます。 ただし、この向きは通常、ビルド時間が長くなり、表面の品質が不均一になり、パーツの丸みが損なわれます。 平面配向には、造形時間の短縮、真円度と精度の向上、部品全体の表面品質の均一化など、いくつかの利点があります。 ただし、突出し量を低くするには、通常、多くのサポートが必要です。 現在の DMLS プロセスでは、35 度未満の大きなオーバーハングをサポートする必要があります。 溶融プールから熱を放散して、再コーティング力と内部部品応力を補償するために、サポートが必要です。
サポートされていない設計の最適化
EOS は、高度なモデル設計手法を活用することで、内部サポートを追加する必要性を大幅に減らします。 積層造形プロセスの設計最適化も、プリンティングの成功に関連するもう 1 つの重要な側面です。 主に調整されたエクスポージャー戦略を使用することで内部サポートを回避できますが、外部サポート構造が必要になることがよくあります。
この記事のインペラーのケースでは、ソリッド フィルを使用する代わりに、自己支持型のアーチと薄い壁を使用してパーツの底部を変更し、強力なプラットフォーム接続を確保し、建設中の変形を防ぎました。 これにより、高強度と改善された機械加工性を提供しながら、従来のステントよりも少ない材料の使用が可能になります。 インペラーの外径は閉じており、組み立て時にパーツの剛性を高め、出口エッジでの幾何学的精度の損失を防ぎます。 このインペラでは、高度な設計により 15% の材料削減が可能になり、機械に最適化され、自己支持型であり、内部サポートはありません。
プロセスの最適化
インペラは、いわゆる高エネルギー ダウンスキン法 (オーバーハング サーフェスを構築するために使用される露出のタイプ) を使用して構築されます。 基本的に、この方法では、他のダウンスキン パラメータを調整しながらレーザー出力を増加させることにより、ダウンスキン露光のエネルギー密度入力を増加させます。 これにより、特にルース パウダー上にオーバーハングを構築する場合に、より大きなメルト プールが生成されますが、より安定しています。 この方法は、インペラーの製造によく使用される多くの材料 (例: Ti64、316L、AlSi10Mg、In718 など) で成功裏に使用されています。
したがって、すべての臨界角がこの最適化されたパラメーターの恩恵を受けることが保証されます。 サポートされていない他のテクノロジーとは異なり、高エネルギーの DownSkin アプローチはビルド速度を犠牲にしないため、サポートを回避するビジネス ケースが犠牲になりません。
対策がない場合、高エネルギーのダウンスキン法では、深い溶接プールのために、ダウンスキン領域の z 方向に過大な部品が生じる可能性があります。 部品は、後処理または設計の微調整によって適切なサイズに調整できます。 ダウンスキンも比較的粗いですが、粗さが均一であるため、アブレシブ フロー加工などのバルク表面仕上げ技術に役立ちます。 気孔率もほとんどなく (下の画像を参照)、気孔率はダウンスキンに限定されます。 したがって、全体的な機械的特性は影響を受けず、EOS が開発した高品質のインフィル プロセスを信頼することができます。 したがって、十分な機械的特性を得るために、熱間静水圧プレスのような二次プロセスも必要ありません。
後加工（アブレシブフローマシニング、AMメタル）
研磨フロー加工は、フロー関連のアプリケーションと内部形状に使用される一般的な表面仕上げ技術です。 研磨剤は、治具に保持された部品を通して押し出されます。 メディア内の研磨粒子が、流路に沿って表面を研磨します。 内面仕上げの準備として、閉じた外径をAFMプロセス用の治具に合わせて開いた直径と部品の高さに機械加工する必要があります。 前加工の後、部品をクランプし、クランプを使って研磨媒体を部品に押し込みます。 AFM プロセスの後、インペラーは最終的なサイズに機械加工されます。
Abrasive Flow Machining (AFM) で処理された最終部品
3D プリント技術の継続的な進歩により、金属 3D プリント部品は最終消費者市場に向けて発展し続けます。