残留サポートは金属 3D プリント部品にどのような影響を与えますか?

一、部品の機械的品質に対するサポートが残留する危険性の可能性
1. 残留応力の集中とクラック発生の危険性
金属を 3D プリントすると、支持フレームワークと部品の間の接続部分に残留応力が発生しやすくなります。これは熱膨張係数が異なるためです。残留サポートが完全に除去されていない場合、応力が集中する場所から亀裂が発生する可能性があります。たとえば、航空エンジンのブレードを印刷する際に残留サポートが除去されないと、ブレードの先端に応力が蓄積する可能性があります。これにより疲労亀裂が発生し、高温使用環境では部品の寿命が短くなる可能性があります。-西安交通大学の研究では、チタン合金部品が未処理の残留応力で支持されている場合、その残留応力レベルが本来よりも 30% ～ 50% 大きくなり、疲労に対する耐性が大幅に低下することが実証されました。
2. 組織化されていない資料
サポートが残留すると、コンポーネント内の材料の構造が変化する可能性があります。レーザー選択溶解 (SLM) プロセスでは、温度サイクルが繰り返されるため、サポートと部品の間の接続により粗大粒子または準安定相構造が生成される可能性があります。北京杭大学の研究者らは電子後方散乱回折（EBSD）を使用して、残留領域をサポートする粒子サイズが基板の粒子サイズよりも2〜3倍大きいことを発見しました。これにより、材料の硬度が 15% ～ 20% 低下し、耐摩耗性に影響します。
3. 幾何精度のばらつき
サポートが残っていると、パーツ自体のサイズが変化する可能性があります。寛骨臼カップなどの精密医療インプラントにおいて、残留サポートによって表面に 0.1 mm の突起が生じると、移植後に体内の組織の炎症を引き起こす可能性があります。 -ある企業の実例では、残留サポートによりタービン ディスクの特定のモデルで半径方向寸法の偏差が 0.08 mm 生じ、これが許容範囲外であり、機械アセンブリ全体の故障の原因となったことが示されています。
2、残留サポートは表面の品質に悪影響を及ぼします。
1. 表面の荒れが悪化する
フライス削りとサンドペーパー研磨は、アイテムの表面に傷を残す可能性がある 2 つの一般的な機械的サポートです。たとえば、コバルトクロム合金ブラケットは、サンドペーパーで手で磨いた後、3.2 μm の表面粗さ Ra 値を持つことができます。ただし、電解研磨を使用すると、この値を 0.2 μm まで下げることができます。ある医療機器企業は、サポートの残りによって生じた表面の欠陥により、製品の再加工が必要になる可能性が 40% 高くなり、製造コストが上昇したと述べています。
2. 化学汚染のリスク
サポートを除去するために化学エッチングを行う際に溶液の濃度を正しく制御しないと、均一な腐食や孔食が発生する可能性があります。アルミニウム合金部品を酸性エッチング液に長時間放置すると、表面に幅 0.5 ～ 2 mm の腐食ピットが発生します。これにより、耐腐食性が低下します。自動車部品を製造するある企業は、残留サポートにより多くの部品の表面が腐食し、直接的な経済損失として100万元以上を失った。
3. 熱影響領域（HAZ）の問題
サポートをレーザー切断する場合、高温により表面の層が再溶解する可能性があります。レーザー切断後のインコネル 718 高温合金部品の再溶解層の厚さは 50～100 μm に達することがあります。これにより部品の硬度が 10% ～ 15% 低下し、高温での強度に影響します。レーザー設定（パルス幅）を微調整することで-<10 μ s, peak current<5A), GE Additive has greatly enhanced the quality of the surface by controlling the thickness of the remelted layer to within 20 μ m.
3. 残留サポートが処理の効率とコストに及ぼす限界
1. 後処理時間の代償は法外なものになっています-
複雑な構造部品を何の助けも借りずに加工するには、生産サイクル全体の 30% から 50% がかかる場合があります。たとえば、ある航空機エンジンの燃焼室シェルは複雑な内部支持構造になっており、手作業で離陸するには 120 時間かかります。しかし、可溶性サポート材を使用すると、溶解にかかる時間が1個あたり8時間に短縮され、効率が15倍に向上します。
2. 材料の無駄とリサイクルの手間
支持構造によって多量の金属粉末が消費されます。たとえば、SLM テクノロジーを使用すると、サポート材の量が全体の使用量の 20% ～ 30% を占める可能性があります。残った担体が粉末を汚染した場合（たとえば、ステンレス鋼担体にチタン合金粉末が混合した場合）、リサイクルのコストは 50% ～ 100% 上昇します。 Leiming Laser は、サポートの設計を改善することにより、コンポーネントの 1 つのモデルに使用されるサポート材料の量を 40% 削減しました。これにより、同社は粉体費を年間 200 万元以上節約できます。
3. 機器の損耗と維持費
機械サポートツール (研削砥石やフライスなど) を交換すると、多くの場合、装置の保守コストが上昇します。特定の金型製造会社は、残留サポートによる工具の摩耗により年間メンテナンスコストが 30 万元増加し、ダウンタイムメンテナンスにより生産能力が 15% 減少したと述べています。
4、残された問題を解決するための体系的な戦略
1. 支持構造の設計の最適化
トポロジの最適化: Magics などのシミュレーション ソフトウェアを使用して、接触面積を小さくする軽量のサポート構造を自動的に作成します。ある企業では、ツリー型のサポート設計に切り替えた後、使用するサポート資材の数を 60% 削減し、サポートにかかる時間を 75% 削減しました。{1}
溶解可能な材料: ポリビニル アルコール（PVA）などの水溶性支持体は、複雑な内部空洞構造を溶解して除去し、互いに接触しないようにするために使用されます。{0} EOS M290機器のPVAサポート材は航空機部品の製造に有効に活用されています。
2. 非接触サポート技術
超音波によるサポート: 高周波振動 (20～40 kHz) を使用してサポート構造を破壊します。これは精密部品に適しています。{0}} Sonic Mill システムは、直径 0.5 mm 未満、表面粗さ 0.4 μm 未満のサポートを使用できます。
プラズマ エッチング: 低温プラズマ (Ar ガスと O2 ガスの混合物) を使用して、熱的な影響を引き起こすことなくサポートを選択的に除去します。{0} Magnalux の磁気研磨ソリューションは、コバルト クロム合金ブラケットのサポートに使用されており、表面品質は医療要件を満たしています。
3. 加工パラメータのスマートな調整
低応力切断: ワイヤ切断 (WEDM) では、入熱を下げるために、パルス幅が 10 μ s 未満、ピーク電流が 5A 未満の設定が使用されます。パラメータを最適化することにより、ある特定の企業は、切断後のチタン合金部品の再溶解層の厚さを 15 μm 以内に管理することができました。
積層フライス加工: 切削抵抗を分散するため、小さな切込み深さの積層フライス技術 (<0.2mm) and a high feed rate (>500mm/min) は厚いサポート システムに使用されます。 DMG MORI の 5 軸マシニング センターは、このようにしてサポート除去の歪みを 0.02 mm 以内に制御します。-
4. 加工後の保護と修復
レーザークラッディングによる修復: サポートを除去した後に発生する微細な傷については、同じ材料をレーザークラッディング修復に使用します。クラッド層の厚さは10～50μmで、接合強度は400MPa以上です。某航空部品メーカーではこの技術を採用し、部品の表面硬度を設計値の95％以上にまで戻しました。
電解研磨: 電解液 (リン酸と硫酸の混合物など) を使用して表面の凹凸を選択的に溶解し、滑らかな仕上げを行います。電解研磨後、チタン合金部品の表面粗さRaは3.2μmから0.2μmに低下し、耐食性は3倍に向上します。