サポートなしの建築

2021年9月30日｜読了時間：5分

金属粉末床溶融炉では、支柱なし、あるいは最小限の支柱で建設することが話題となっている。理由は明白だ：コスト削減である。サポートの数は、後処理だけでなく、造形時間や材料消費にも影響する。

ステップ・バイ・ステップ・ガイド

この記事を構成するために、私はデザイン思考のアプローチを使う。まず、デザインの側面を強調したい。

強調する

定義
あなたのアプリケーションでサポートを避けるためには、その目的を自問する必要があります。サポートが必要な3つの理由

熱伝導
残留応力
リコーター部隊

熱伝導： 粉体は固体材料に比べて熱伝導率が低いため、張り出し部分ではエネルギー投入量を調整する必要がある。前回の記事で示したように、熱伝導のトピックは、適切なダウンスキン露光戦略と最適化されたプロセスパラメーターによって軽減することができます。

残留応力：金属粉末床溶融は一般的に低温プロセスであるため、残留応力は物理法則の結果である。局所的に集中したエネルギー投入による温度勾配や、凝固したばかりの層とその下のすでに冷却された層との温度差によって応力が発生します。また、材料の収縮は、以前に凝固した材料によって部分的に抑制され、歪みの原因となります。

残留応力の原因に対処するために、製造温度を上げたり（酸素のピックアップが増えるという欠点がある）、特殊なスキャン戦略を取ったり（機械的特性や生産性に欠点がある）するよりも、発生した影響を補正する方が簡単である。解決策としては、事前に変形させるか、可能であれば変形しにくい設計にすることです。以下に、Additive WorksのAmphyonでシミュレーションした2つの例を示します：平らなプレートと逆さまのコーンです。どちらの部品も同じような寸法（直径50 mm対50 x 50 mm）です。円錐は、その形状により変形が少ないことがはっきりとわかります。円錐は一点から始まり、z方向に連続的に成長しています。また、x-y層の円形形状は自己安定的に作用します。

リコーター力：リコーターの力：リコーターがパウダーを散布する際、パーツに力が作用する。部品がベースプレートに接続されていない場合、部品はリコーターによって拭き取られます。形状やプロセスによって、この力は大きくも小さくもなります。特にフィラメント状の部品にはソフトリコーターを使用することも選択肢の一つですが、一定の層厚を保証できるのはハードリコーターだけです。経験がものを言う：ハード・リコーターで造れるものは、ソフト・リコーターでも簡単に造れる。そのため、以下のトライアルはハード・リコーター（HSSブレード）で行われた。

アイデア
リコーターの力の影響を軽減するための代表的な解決策は、例えば支柱サポートです。支柱サポートは、リコート中の引張棒の振動を軽減することによって印刷ジョブの安定性を高めるために、背の高い引張棒によく使用されます。支柱支持の概念をさらに発展させると、部品を保護し安定させるためにシェルを使用することができます。これにより、ベースプレートへの接続は不要となる。

簡単な例から始めると、円錐から始めることができる。0.2mmのクリアランスを持つ単純なブーリーンは、パーツとシェルの融合を防ぐのに十分な大きさのギャップを提供します。

プロトタイプ
コーンはEOSチタンTi64の EOS M 290で作られ、手で簡単に取り外しができる。

シェルの体積は部品の体積よりも大きいという見方もできる。したがって、最も有益な設定を見つけるためのさらなる最適化が必要である。最初は、部品全体を包む必要はなく、ある部分のみを包むようにします。部品とシェルの間の摩擦は、背の高い部品であっても固定するのに十分でなければなりません。また、パーツを重ねて、前のパーツを次のパーツのシェルとして使うというアイデアもある。

テスト
さらに高度な設計に進み、スタッキングも取り入れてみましょう。クリスマスシーズンも近いので、Siemens NX で設計し、nTopology でポンピングしたクリスマスツリーはいかがでしょうか。逆さまにすることで、ツリーは自立し、木の幹は次のツリーのシェルとして機能します。格子とソリッドパーツの間に、x-y方向に0.1 mmの小さな重なりが見えますが、これは良好な接続を保証するためです。

nTopologyの専門家のために：いいえ、格子をメッシュとしてエクスポートしていません。