後処理により積層造形と 3D プリンティングを分離

オークリッジ国立研究所の 3D プリントされたシェルビー コブラは、カーボンファイバーで強化されたボディの表面がコンクリートの質感を持っていたため、仕上げが困難であることが判明しました。 ORNL

アディティブ マニュファクチャリングが 3D プリントと異なる点は、プリント以外のすべてのプロセスが実行されることです。 AM は、積層造形専用の部品の設計から始まり、次にプログラミング、プロセスの最適化、部品の印刷、そして最後に後処理が続きます。

完成した部品を連続生産方式で吐き出す 3D プリンターの約束は非現実的です。 たとえば、単純なプラスチック部品の場合は、サポートの除去などの後処理ステップが必要な場合があり、研磨、研磨、蒸気平滑化、機械加工、充填、塗装、シール、染色、組み立てが必要になる場合があります。

AM 市場では、求人ショップはサービス ビューローと呼ばれます。 顧客のコンセプトを実現するためには、さまざまなサービスを提供する必要があるからです。 同様に、企業が 3D プリンターを購入する場合、通常は部品を印刷するだけではありません。 彼らはAMを望んでいます。

期待に応える部品を印刷するには、企業のスタッフが後処理を含むサービスビューロースタイルの専門知識を適用する必要があります。

ユニークな課題

各添加プロセスには独自の課題があります。 たとえば、大規模なポリマー部品は通常、大幅な仕上げが必要です。 それらは、熱く溶けたプラスチックの層を押し出し、層の上に積み重ねることによって構築されます。

プラスチックは冷えると約 0.5% 収縮します。 これは些細なことのように思えるかもしれませんが、長さ 20 フィートのパーツの場合、約 1 インチに相当し、重大な不正確になります。

ツーリングは大規模 AM の主なアプリケーションの 1 つです。 プリンターから取り出したばかりのパーツは、コーデュロイに似た質感を持っています。 印刷して冷却した後に機械加工する必要があります。 加工には印刷よりも時間がかかる場合があります。

プロトタイプの自動車や展示品にはクラス A の仕上げが施されます。 オークリッジ国立研究所が、この象徴的なレースカーの 50 周年を記念してシェルビー コブラのレプリカを 3D プリントしたことで有名です。 後加工前の車両は見た目はカッコ良かったのですが、表面がザラザラしていました。 Tru-Design LLC の仕上げ専門家の協力を得て、このような大規模な付加部品を仕上げるためのプロセスが開発されました。

炭素繊維で強化された材料の表面はコンクリートに似ていたため、サンディングは困難であることが判明しました。 サンディングと下塗りの最初の試みはうまくいきましたが、長期的な解決策にはなりませんでした。 最良の結果は、サンディングと塗装を可能にし、ショーカーのような仕上げを可能にする独自のスプレー式フィラーを適用することで得られました。

ワイヤー EDM は、3D プリントされた金属部品をベースプレートから分離するための後処理によく使用されます。 Protolabs はこの部品を印刷し、EDM Tech Center が SSG WEDM を使用して 56 分でベースプレートから取り外したと報告されています。 株式会社EDMテックセンター

金属の違い

金属部品の 3D プリントは、プラスチックのプリントとはまったく異なります。 溶融フィラメント製造 (FFF) は、溶融したプラスチックを押し出すプラスチック部品の印刷プロセスとして一般的ですが、金属部品の製造にも使用できます。 金属 FFF パーツには大規模な後処理が必要です。

メタル FFF では、原材料は、金属粉末が大量に充填されたプラスチックまたはワックスのバインダーを含むフィラメントで構成されます。 印刷後はバインダーを取り除く必要があります。 脱結合プロセスは、熱または酸浴を使用して行うことができます。

脱バインダ後、部品は焼結されます。 この段階で大幅な収縮が発生します。 幸いなことに、収縮は予測可能であり、かなり正確なパーツの印刷が可能です。

金属印刷のもう 1 つのプロセスはバインダーの噴射です。 FFF と同様の後処理要件があります。 バインダーの噴射では、金属粉末の層を広げ、その上にプリンター ヘッドが部品の設計に基づいたパターンでバインダーを選択的にスプレーします。 次に、バインダーが硬化され、金属粉末の別の層が広げられます。

部品が完成したら、周囲の粉末を除去する必要があります。これは、脱粉末 (またはデケーキ) と呼ばれるプロセスです。 その後、焼結され、バインダーも除去されます。 最後に、部品は機械加工され、研磨されます。

LMD (レーザー金属蒸着) マシンには、スプレーされた金属粉末またはワイヤーを溶かすレーザーが装備されており、部品を層ごとに構築します。 これらの部品は通常、許容可能な表面仕上げを実現するために印刷後に機械加工が必要です。

成膜ヘッドと完全な機械加工機能を備えたハイブリッド機械を使用すると、部品の取り扱いを最小限に抑え、完成部品を機械から直接取り出すという目標に近づくことができます。

LPBF (レーザーパウダーベッドフュージョン) は、金属部品を製造する最も一般的な方法です。 粉末の層が積み重ねられ、集束されたレーザー ビームで融合されます。 LPBF プロセスでは強力で正確なパーツが印刷されますが、それでも後処理が必要な場合があります。

3D プリントされたパーツから余分なパウダーを除去したら、通常、そのパーツをビルド プレートから取り外す必要があります。 バンドソーを使用して作業を行う人もいますが、ほとんどはワイヤー放電加工を使用します。

3D プリントされたシェルビー コブラ。 ORNL

用途に応じて、部品を熱処理したり、熱間静水圧プレスにかけたりして、材料の微細構造を改善することができます。 一部の高公差の表面は機械加工される場合があります。 サンドブラストなどの多くの研磨技術により、仕上げを向上させることができます。

連続生産の鍵

明らかに、積層造形は単なる 3D プリント部品をはるかに超えています。 後処理ステップは、顧客の部品に対するビジョンを実現する上で、追加プロセスと同じくらい重要です。

これを確実に実現するには、後処理の専門知識が不可欠です。 また、3D プリンティングからシリアル AM への移行を完了するためにも重要です。