金属 3D プリント部品の表面が比較的粗いのはなぜですか?

一、パウダーの特性：微小な傷の原因
1.粉体粒度分布の二重効果
スペインのバスク大学が実施した研究では、表面粗さと粉末粒度分布における最小粒径 (D10) の間に直線的な相関関係があることが実証されました。D10 値の減少は、粗さの減少に対応します。たとえば、粉末バッチの D10 が 25 μm から 11 μm に低下すると、部品の表面粗さは 60 μm から 40 μm 未満に低下する可能性があります。ただし、これは細かい粉末にのみ機能します。粉末粒子のサイズが D50 より大きい場合は、どんなに粗くても問題ありません。
2. 粉が物にくっつく「雪だるま現象」
3D プリントのプロセス中に、部分的に溶けた微粉末がアイテムの表面に付着し、「雪だるま」のように見える凹凸ができます。金属組織学的研究により、これらの接着剤粉末の微細構造がコンポーネントの本体と一致していることが明らかになり、元の粉末バッチから直接供給されたことが示唆されます。たとえば、D50=45 μmの粉末を使用すると、表面接着剤の粉末の直径が33〜47μmに達し、粗さが大幅に増加します。
3. 粉体の真球度で最も重要なこと
粉末があまり球形ではない場合、不均一に広がり、最大 10% の多孔率の緩い層を形成する可能性があります。これらの細孔はまだ溶けていない粉末を捕捉し、レーザー溶解プロセス全体を通じて表面に傷を作ります。研究では、真球度が 95% を超える粉末を使用すると、表面粗さを 30% 以上減少させることができることが実証されています。
2、印刷パラメータ: バランスのとれたプロセス制御
1. エネルギー密度と飛沫の矛盾
High energy density (>100J/mm3) を加えると、溶融池の流れが良くなりますが、金属蒸気が跳ね返り、溶融金属が飛散する原因にもなります。これらの液滴は冷えて球形の粒子に変化し、部品の表面に付着し、部品の表面が 50% ～ 80% 粗くなります。たとえば、インコネル 718 で印刷する場合、エネルギー密度が 80J/mm 3 から 120J/mm 3 に増加すると、表面の飛沫の数は 3 倍に増加します。
2. 層の厚さと重なり合う凝固の組織の影響
粗さに影響を与える主な要素の 1 つは、層の厚さです。層厚が 20 μm から 50 μm になると、段差効果による表面粗さの高さは 10 μm から 25 μm になります。また、レーザーが表面に当たる角度も凝固組織に大きな影響を与えます。たとえば、印刷中心から最も遠い領域では、角度の偏差が 15 度を超えると、溶融池が均一に凝固しないため、表面粗さは 40% 増加します。
3. スキャン手法を改善する余地
標準的な一方向スキャン方法では、部品の表面に一定の間隔で縞模様が残ります。-ただし、チェッカーボードまたはスパイラル スキャンを使用すると、このパターンが崩れ、粗さの分布がより均一になります。たとえば、チタン合金を印刷する際、スパイラルスキャン方式により表面粗さの標準偏差が 8 μm から 3 μm に低下します。
3、後処理技術: 表面を仕上げる新しい方法
1. 機械加工の限界
CNC フライス加工などの従来の機械加工は、複雑な内部キャビティ構造ではうまく機能せず、3D プリンティングの軽量設計ではうまく機能しない可能性があります。たとえば、格子システムを備えた股関節インプラントをフライス加工する場合、少なくとも 0.5 mm の加工代を維持する必要があり、これにより重量が 15% ～ 20% 増加します。
2. 化学研磨の微細制御
化学研磨は、表面の微小なピークを選択的に溶解することにより、ナノスケールの精度制御を実現します。コバルトクロム合金を印刷する場合、硝酸と塩酸の混合溶液を用いた化学研磨により、格子構造を損傷することなく表面粗さを12μmから0.8μmに下げることができます。ただし、このアプローチでは、温度 (± 2 度) と溶液の濃度 (± 0.5%) を注意深く監視する必要があります。そうしないと、腐食が進みすぎる可能性があります。
3. レーザー研磨の新しい使い方
デュアルレーザー同期研磨技術は、部品を構築するためのメインレーザーと、表面に残った粉末をリアルタイムで除去するための二次レーザー (ナノ秒パルス) を組み合わせています。これにより、表面を 70% 滑らかにすることができます。この方法では、たとえば、ステンレス鋼の印刷の粗さを、何もすることなく 7 μ m から 2 μ m に下げることができます。しかし、装置の価格が通常の3Dプリンターの3～5倍かかるため、大規模な利用は難しい。
4. 砥粒流動加工における内部空洞の突破
アブレイシブ フロー マシニング (AFM) は、複雑な内部キャビティ構造に対して特別な利点をもたらします。炭化ケイ素研磨粒子を含む半固体媒体を高圧で内部キャビティに押し込むと、バリを取り除き、表面をより滑らかにすることができます。- AFM は、航空エンジンの燃料ノズルを印刷する際に、内部キャビティの表面粗さを 50 μm から 5 μm に下げます。また、燃料の流路をスムーズに保ちます。
4、業界の実践: 研究所から工場への移行
1. 航空宇宙分野における新発見
GE Aviation は、SLM 技術と HIP (熱間静水圧プレス) 処理を使用して LEAP エンジン用の燃料ノズルを製造しています。これにより、気孔率が 0.8% から 0.02% に低下し、疲労寿命が 3 倍に長くなります。 -スキャン アプローチと層の厚さ (30 μ m) を微調整することにより、表面粗さは Ra12 μ m 以内に維持され、航空業界が設定した基準を満たします。
2. 医療機器のカスタマイズされた需要
Johnson&Johnson Medical は、真空アニーリングと化学研磨を組み合わせた 3D プリント股関節インプラント用の複合プロセスを開発しました。-真空アニールにより残留応力を除去し、クエン酸-ベースの研磨液を使用して、生体適合性を保ちながら表面をRa50μmからRa0.8μmまで平滑化します。この方法により、インプラントの疲労寿命は 20 年を超え、臨床現場で必要とされる寿命を超えます。
3. 非常に過酷な環境でも動作するエネルギーデバイス
シーメンスは、方向性再結晶技術と固溶体処理を使用してガス タービン ブレードを製造しています。これにより、ニッケル-基の高温合金のクリープ速度が 80% 削減されます。-温度勾配を制御することにより（1235 度、2.5 mm/h の引抜速度で）、応力軸に沿った柱状結晶構造が作成されました。これにより、650 度での疲労寿命が延長されました。