サポートフリーの金属3Dプリントの現実と利点

2022年10月10日｜読書時間4分

サポートフリーの3D金属プリントは魅力的な提案だ。しかし、それは実際には何を意味し、なぜそれほど魅力的なのでしょうか？サポートフリー・プリンティングとは何か、実際に可能なのか、そしてどのような利点があるのかを学びましょう。

サポートフリーとは

アディティブ・マニュファクチャリング（AM）におけるサポートフリー造形とは、サポート構造から完全に独立して3Dプリントパーツを製造する方法を開発することを指す。サポートは、作成されるパーツの構造を補強し維持するために、造形の過程で一般的に使用される。これは、造形されるパーツのサイズや形状に応じて、さまざまな理由で必要となります。

サポートは、熱応力による変形を防ぎ、溶融材料からの熱移動を促し、衝撃が発生した場合に部品の形状を乱す可能性のあるリコーターブレードから成形部品を保護するために、戦略的に配置されます。また、サポートは、例えば、成形プレートに取り付けて成形品を安定させるなど、成形プロセス中に成形品にさらなる剛性を与えることもできます。

アディティブ・マテリアルの層を適切な形状に作り上げるために、パウダーの一部は、プリントされるパーツの突出した要素を支えるサポートを作るために使用される。サポートフリー印刷のアイデアは、このようなサポートをなくし、部品を完全に自立させて、印刷が完了したらすぐに使用できるようにするものである。

コンセプト上、サポートフリー・プリンティングには多くの利点があり、それが業界内で熱望され続けている理由だ。造形過程で使用する材料が少なくて済むだけでなく、他の利点もある。大きな疑問は、完全にサポートフリーの3Dプリントは物理的に可能なのかということだ。

サポートによる3Dプリントの利点と欠点

サポートは基本的に、製作する部品の下にある小さな盛り上がった製作台として機能する。これによって、造形にさらなる構造がもたらされる。状況によっては、適切なサポートがないと、パーツが完全に形成されないことがあります。これは、パーツのはみ出した部分や、パーツに貫通する穴が必要な場合によく見られます。サポートを使用することで、底面や隙間の狭いパーツを作ることができます。一般的なルールとして、サポートは、ビルドプラットフォームから45度以下に広がるビルドのすべての側面に必要とされる傾向があります。つまり、鋭角に上昇するパーツは、ビルドにサポートを組み込む必要があるかもしれません。

AMプロセス中にサポートを構築することは、より複雑で精巧なパーツの作成に有益である一方、いくつかの欠点もある。これらは主に、材料、印刷時間、後処理に関するものである。

欠点その1 - 印刷時間

各支持体は、部品そのものが層ごとに作られるのと同じように、造形の各層ごとに徐々に印刷される必要がある。その結果、印刷時間が長くなり、効率が低下し、エネルギーを多く消費することになる。

欠点その2 - 素材の消費

サポートは他の部品と同じ方法で作られるため、余計な材料が使われることになる。サポートは後工程で最終製品から取り除かれ、廃材として処分されるため、時間とコストに影響する。

欠点その3 - 後処理

ほとんどの3Dプリント部品は後処理段階を経ますが、これは部品を仕上げて使用に適した状態にするために必要なものによって、いくつかの段階から構成されます。これには、パーツの公差を向上させ、表面粗さを低減するための機械加工や表面処理、機械的特性を向上させ、造形プロセス中に発生した熱応力を除去するための熱処理が含まれます。最終的には、余分な粉末を除去するための洗浄工程が必要になることが多い。より大きく、より多くのサポートを使って造形する場合、サポートの数やサイズを減らす場合に比べて、より長く、より集中的な仕上げ工程が必要となる。この時間のかかる工程は、手作業が必要なだけでなく、追加コストもかかる。専門家の労働時間と必要な道具が、製品製造の収益を押し上げるのだ。

また、一部のサポートがアクセスできないため、取り外せない場合もあります。これらは部品の機能を妨げないかもしれませんが、重量を増やし、部品の全体的な性能に影響を与える可能性があります。精密工学の場合、このようなサポートなしで印刷できれば、部品の将来的な使用に大きなメリットをもたらす可能性がある。

サポートフリーのメリット

サポートフリーの3Dプリンティングに移行することで、AMプロセスは経済的、環境的、時間的に改善されます。造形中にサポートを構築する必要がないということは、パウダーベッド内の材料が溶ける量が少ないということであり、AMにとって複数の利点があります。

製造スピードハック #1：製造時間の短縮

造形が進むにつれて、プリンターのレーザーがサポートにレイヤーを追加し続ける必要がなくなれば、印刷時間が短縮される。造形の各レイヤーでは、これはわずかな時間短縮にしかならないが、完全な造形の過程では、部品の製造完了までにかかる時間の大幅な短縮につながる。大規模な製造に適用すれば、生産時間をさらに大幅に短縮することができる。

製造スピードハックその2：後処理リソースの節約

そもそもサポートがないことは、サポートの除去が後工程の段階から完全に排除されることを意味し、リードタイムに大きな影響を与えることが多い。後工程で費やされる時間の多くは、サポートの除去に集中している。サポートは最終製品に取り付けられるため、取り外し、部品の他の表面と完全に一致するまで表面を処理する必要がある。そのためには、専門的な技術と工具が必要で、企業には費用と時間がかかる。極端な例では、製造工程での1分の処理工程が、1日のリードタイム延長につながることもある。サポートフリーを実現すれば、このような集中的な後工程調整が不要となり、部品完成までの時間が大幅に短縮され、コストも削減される。取り付けられたサポートを取り外す必要がないため、プリントされた部品は、より優れた、より一貫した表面仕上げを即座に得ることができる。

製造スピードハック#3：より少ない材料消費と環境負荷の低減

持続可能性と責任ある製造を念頭に置けば、サポートを使用しない、あるいはサイズや数を減らすことは、材料の使用量を減らすことを意味することは明らかです。その結果、材料の無駄が少なくなり、エネルギー消費も削減されるため、3Dプリントの金銭的コストと環境的コストの両方が削減されます。また、最初のプリント工程と、パーツを仕上げるための後工程手順の両方で全体的な時間が短縮されるため、より効率的でシンプルな作業が可能になります。

サポートフリーの3Dプリンティングで何が可能か？

現実には、100％サポートフリーのAMは、現在のところ、すべての用途や形状で可能というわけではありません。EOSアディティブ・マインズでは、サポートフリー印刷という最終目標に近づくために、最近驚くべき飛躍を遂げました。

金属AMの最も持続的な限界は、サポートなしでは一定のオーバーハング角度以下の印刷ができないことだろう。サポートなしでは、プリント中にレーザーの集束エネルギーにさらされることによって生じる残留応力により、オーバーハングが反る危険性がある。このため、金属AMシステムのユーザーは、用途の選択に制約を受けることが多い。

業界のリーダーたちの革新的な考え方のおかげで、現在、重要な45度の角度が疑問視され、挑戦されています。現在では、3Dプリントプロセスの有効性と製造される金属部品の品質を損なうことなく、はるかに低い角度でオーバーハングとブリッジをプリントできる多くのソフトウェアとパラメーターパッケージが利用できるようになりました。

シュラウド・インペラーに関するこのケーススタディでは、オーバーハング角度の限界に10度まで挑戦したにもかかわらず、サポートフリーを実現しています。

部品内部に厄介に配置されたサポートは、たとえそれが最大のものでなくても、除去が最も困難なもののひとつである。このようなサポートのサイズと数の削減により、インペラーの製造コストは全体で35％削減された。

プロセス開発チームは、このような特注の専門プロジェクトで得られた知見を、「プラグ・アンド・プレイ」3Dプリンティング・ソフトウェアで利用可能な標準プロセスに適用した。つまり、専門家のコンサルタントがいなくても、角度制限を標準の20度まで下げることができるようになったのです。

EOSがサポートフリー印刷をサポートする方法

当社の専門ソフトウェアであるEOSPRINT 2は、3Dプリントのニーズを管理するための最も汎用性の高いプラットフォームを提供できるように設計されています。アディティブ・マニュファクチャリングの世界を始めたい方のために、EOSPRINT 2には、一連の「プラグ・アンド・プレイ」ソリューションがあらかじめ搭載されています。これらのソリューションにより、パラメータを設定したり調整したりすることなく、製品を簡単に造形するために必要なものがすべて揃う。ソフトウェアの高度なプログラミングが作業の大部分を処理してくれるため、簡単にプリントすることができる。

3Dプリントの経験者にとっても、EOSPRINTはより多くの実験とキャリブレーションを可能にします。プリセットのソリューションを使用する代わりに、手動で設定を変更することができます。これは、使用しているソフトウェアが最高品質であることを確信しながら、アディティブ・マニュファクチャリングを強化したい人に最適です。

3D金属プリンティングの開発をサポートし、当社のソフトウェアの機能を最大限に活用していただくために、eラーニングコースをご用意しています。この3Dプリンティングモジュールでは、サポートフリーの金属積層造形の包括的な概要を説明し、コスト削減、時間短縮、プロセスチェーン全体のイノベーションを推進するための専門知識を提供します。

最後に、実現させたい特定のプロジェクトがある場合、Additive Mindsチームがお手伝いいたします。当社のソフトウェア・パッケージが提供できる以上のレベルの検討と理解を必要とする特注プロジェクトには、ここが最適です。

経験レベルに関係なく、サポートフリーの3Dメタルプリントの追求をサポートします。