サポートフリーの金属3Dプリンティングの
現実とメリット

2022年10月10日｜閲覧時間4分

サポートフリーの3D金属プリンティングというのは魅力的な提案です。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します。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ます。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、造形プロセス中に部品に剛性を追加することもできます。たとえば、造形プレートに取り付けて部品を安定させることができます。アディティブ材料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、そ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、サポートフリーの印刷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である。製造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プリンティングの利点と欠点

サポートは基本的に、造形する部品の下に置く、少し持ち上がった製作台として機能します。これによって、造形に余分な構造が追加されます。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、パーツのオーバーハングした部分や、パーツに貫通する穴がある場合によく見られます。どちらの場合も、自らを固定できなくなるまでしか造形が進みません。サポートを使用することで、ベースの狭い、あるいは隙間のある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、造形プラットフォームから45度以下で立ち上がる造形のあらゆる側面に必要とされる傾向があります。つまり、鋭角で上昇するパーツは、造形にサポートを組み込む必要があるかもしれません。AMプロセスにおけるサポートの構築は、より複雑で精巧なパーツの作成に有益ですが、いくつかの欠点もあります。それは主に、材料、造形時間、後処理に関するものです。

欠点 #1 - 造形時間

各サポートは、部品そのものが層ごとに造形されるのと同じように、各層ごとに逐次造形される必要があります。その結果、造形時間が長くなり、効率が低下し、エネルギーを多く消費することになります。

欠点 #2 - 材料消費

サポートは他の部分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ります。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します。

欠点その3 - 後処理

ほとんどの3Dプリント部品は後処理を行いますが、部品を使用するにあたり、どのような仕上げが必要かによって、いくつかの工程で構成されます。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。多くの場合、付着した粉末を除去するための最終的な洗浄工程が必要となります。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が小さい場合に比べて、より長く、より集中的な仕上げ工程が必要となります。この時間のかかる工程は、手作業が必要なだけでなく、追加コストもかかります。専門家の労働時間と必要な道具が、製品製造のコストを押し上げます。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。部品が機能しなくなるわけではありませんが、重量が増し、部品全体の性能に影響を与える可能性があります。精密機械の場合、このようなサポートなしの造形ができれば、部品の将来的な使用に大きなメリットをもたらすことになります。

サポートフリー造形のメリット

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。サポートを造形する必要がないということは、パウダーベッド内の材料の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、造形時間が短縮されます。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りませんが、全体の造形過程では、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ります。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ます。

製造スピードハック＃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、後工程からサポートの除去が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くあります。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ます。サポートは最終製品に取り付けられるため、取り外して、表面を部品の他の表面と完全に一致するまで処理する必要があります。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ります。極端な例では、製造工程での1分の処理が、1日のリードタイム延長につながることもあります。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、コストも削減されます。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ます。

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、材料の使用量削減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、エネルギー消費も低減されるため、3Dプリンティングの財務コストと環境コストの両方を減らすことができます。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。

業界リーダーたちの革新的な考えにより、限界角度としての45度が疑問視され、挑戦されています。現在では、3Dプリンティング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、はるかに低い角度のオーバーハングとブリッジを造形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。

このシュラウドインペラーのケーススタディをご覧ください。このプロジェクトでは、オーバーハング角度の制限を驚異的な10度まで下げたにもかかわらず、サポートなしの製造が実現しました。この特定のプロジェクトでは、内部サポートが完全に除去されたため、後処理の手順が大幅に簡素化されました。部品内部の厄介な位置にあるサポートは、たとえそれが大きくなくても、除去するのが最も困難な場合があります。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％削減されました。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から得た知見を、"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ました。つまり、専門コンサルタントがいなくても、標準として角度制限を20度までに減らすことができるようになったのです。

EOSがサポートフリー造形をサポートする方法

当社の専門ソフトウェア、EOSPRINT 2は、3Dプリンティング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します。アディティブ・マニュファクチャリングを始めようとする人々のために、このソフトウェアには一連の「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、製品をシンプルに造形するために必要なものがすべて提供されます。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ので、簡単に造形できます。3Dプリンティングの経験者にとっては、EOSPRINT でより多くの実験やキャリブレーションも可能です。プリセットのソリューションを使用する代わりに、自分が自由に設定を変更することができます。これは、アディティブ・マニュファクチャリングを強化させたいと願うすべての人に最適です。しかも使用しているソフトウェアが最高品質であるという安心感を得ながら活用できます。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アディティブ・マニュファクチャリング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。お客様の経験レベルに関係なく、サポートフリーの3D金属プリントの追求をお手伝いします。