金属積層造形リコータが造形品質に与える影響

2022年7月27日｜読書時間4分

金属3Dプリントジョブ用にアディティブ・マニュファクチャリング用リコーターブレードを選択するのは難しい決断のように思えるかもしれませんが、その必要はないと言ったらどうでしょう？当社の研究チームは、アディティブ・マニュファクチャリング用リコーターとパウダーの組み合わせを実験し、それが造形物の品質にどのような影響を与えるかについて理解を深めています。

リコーターの素材にはどのようなものがありますか？

リコーターブレードにはいくつかの種類があり、それぞれ異なる素材から作られ、異なる目的で使用される。しかし、一般的にはソフトとハードの2種類に分けることができる。

ソフトリコーターブレードには、エラストマーリップまたはカーボンブラシが付いており、一般に、仕上がり部品の細部をより細かく仕上げる必要がある、より繊細なプロジェクトに使用されます。この種のリコーターは、不完全な部分の周囲で曲がる可能性があるため、リコーターのジャムによる作業中断のリスクを軽減できますが、その反面、パーツの仕上がりが粗くなる可能性があります。ソフトリコーターは、表面積の大きい高アスペクト比の部品にも効果的です。

ハードリコーターブレードには、高速度鋼（HSS）製と、磁性金属粉末造形に最適な酸化ジルコニウムセラミック製があります。ハードリコーターは、材料とプロセス開発を向上させながら、より高いレベルのパーツ品質と再現性を提供するため、EOS 3Dプリンターに好んで使用されています。ブレードがソフトリコーターほど寛容ではないため、ジャムが発生しやすくなりますが、微細構造を造形する必要がある場合は、ハードリコーターは最良の選択ではありません。

積層造形リコーターのテスト

アディティブ・マニュファクチャリングのリコーターと金属粉末の異なる組み合わせが、最終的な造形品質に何らかの影響を与えるかどうかを調べるため、3つのリコーターと3つの印刷材料を選び、一連の比較テストを行った。

選ばれた3つの金属は、EOSアルミニウムAlSi10Mg、EOSチタンTi64、EOSマレージング鋼MS1です。私たちがこれら3つの特定の、広く使われている金属粉末を選んだのは、それぞれが異なる特性を持っているからです。アルミニウム粉末は、航空宇宙やモビリティ用途で頻繁に使用される軽量合金であり、チタンは、特に医療用インプラントの製造など、様々な産業で使用される、より高密度で堅牢な材料です。スチールパウダーは、金型製造によく使用される磁性材料です。私たちの実験に関して、これらの粉末の主な差別化要因は、密度と粉末の粒度分布の違いである。

各金属は同じソフトリコーター（シリコンリップとカーボンブラシ）でテストされた。スチールパウダーは磁性を持つため、セラミックハードブレードでテストし、他の2種類はHSSリコーターでテストした。

私たちは、標準化されたさまざまなビルドをプロットし、それぞれを直接比較できるようにした。さまざまな向きの円柱や立方体など、一連の単純な形状を最初のジョブレイアウト用に配置した。このジョブは、リコーターとパウダーの組み合わせごとに1回ずつと、標準的な「コントロール」バージョン1回の合計7回実行された。

2つ目の仕事も、エラストマーブレードを微細印刷用にテストするために特別に設計された。この仕事では、リコーターの能力を最大限に引き出すために、格子状のボールとチェスのルークを追加した。この2番目の仕事では、パーツを完成させた後、破損したブレードがパウダーベッドにどのような影響を与えるかを観察するため、ビルドプラットフォームの半分を意図的に空にしておいた。

何を見つけたのか？

簡単に言えば、どの金属粉を使っても、それぞれのリコーターに違いは見られなかったということです。それは、作られたパーツにまったく差がなかったということではなく、あるパウダーに対してどのリコーターを使っても、目に見えるような差が出なかったということです。例えば、チタンパウダーで印刷する際にそれぞれのリコーターを使用した場合、作られたパーツはすべてかなり安定していた。

各製造で主に3つの点を評価し、どこで違いが生じるかを明らかにした。第一に、リコーターブレードの性能を調べ、どのリコーターとパウダーの組み合わせが詰まりやすいかを見極めた。次に、出来上がったパーツの全体的な品質を調べ、機械的特性や気孔率など、他のパーツとの違いを確認した。そして第三に、造形後のパウダーベッドを分析し、パウダーの「塊状化」など、造形材料に乱れがないかを確認した。

すべてのリコーターとパウダーの組み合わせにおいて、プリンターの性能、造形品質、パウダーベッドの完全性は、「良い造形」に必要なパラメータの範囲内であった。ごくわずかな不一致が見られたが、これは材料ロットの変更に起因する可能性があるとの仮説を立てた。

我々は何を学んだのか？

この研究を通じて、私たちは、製造品質の観点から、金属粉末とリコーターの組み合わせは重要ではないと判断しました。重要なのは、作成する部品の目的です。テストした金属粉末とリコーターは、それぞれ異なる実用的な用途にメリットをもたらします。適切な部品に適切な金属を使用することが第一の目的であり、部品が最高の性能を発揮できるようなリコーターを使用することがそれに次ぐ目的である。

この小さな欠陥から、3Dプリンター内のパウダーやリコーターが変化することによる潜在的な汚染が、1つの作業から次の作業へと造られるパーツの性能にどのような影響を及ぼすか、研究を続けたいと考えています。これが、私たちの次の研究段階の焦点です：パーツとパウダーベッドの化学分析を行い、汚染があるかどうかを確認し、それが異なるリコーターとパウダーの組み合わせで造られたパーツの長期的な実用化に影響するかどうかを判断します。