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直接金属レーザー焼結のためのルールベースのDFM解析。直接金属レーザー焼結（DMLS）は、3D CADデータから直接、複雑な形状の金属部品を層ごとにプリントできる積層造形プロセスの一種です。高エネルギーレーザーを使用してコンピュータ制御下で金属粉末を焼結し、材料を結合して固体構造を形成します。DMLSはネットシェイププロセスであり、複雑さによる追加コストなしに、非常に複雑でカスタマイズされた部品を作成できます。
DMLSは、従来の製造プロセスでは製造が困難な複雑な金属部品の製造に使用されており、部品設計において設計者に大きな自由度を与えています。しかし、プリントする部品を設計する際には、製造性設計（DFM）に関するいくつかの考慮事項を考慮する必要があります。DFMは、製品構造を特定の製造プロセスにより適合させるための指針を設計チームに提供します。これにより、製品開発の設計段階と製造段階の間の壁が取り払われ、設計者は製造プロセスで利用可能なすべての固有のコストとその他の利点を活用できるようになります。DFMの原則とガイドラインを早期に考慮することで、製品の最終開発においてコストと時間を大幅に削減できます。DMLSの一般的なガイドラインには、次のようなものがあります。
印刷可能な部品のサイズは、使用するプリンターによって異なります。現在の技術では、最大で 228 X 228 X 304 mm の造形サイズを実現できます。[ 1 ]したがって、印刷する部品のサイズは、必要な寸法内に収まる必要があります。DMLS の最小焼結幅は (レーザー径によって異なる) 0.6 mm から 0.9 mm まで変化します。これは部品の最小外部形状サイズを定義するため、寸法が小さい外部形状を持つ設計は避ける必要があります。[ 2 ]
部品の精度と表面粗さは 、50 μm から 100 μm の範囲の粉末粒径に依存します。0.02 mm から 0.05 mm の範囲の層厚は、垂直方向の解像度を決定します。したがって、高精度が要求される部品の領域は、0.1 mm から 0.5 mm の計画的な許容値で設計し、必要な精度を達成するために二次仕上げおよび/または機械加工操作を使用する必要があります。[ 2 ]
DMLSでは、粉末床が部品を支え、所定の位置に保持します。ただし、粉末床と45度未満の角度をなす下向きの面のほとんどには、サポート構造が明示的に必要です。これは、粉末床だけでは、レーザーが粉末をスキャンするときに生成される金属の液相を保持するのに不十分であるためです。サポート構造は、高温勾配による溶融粉末のカール/反りを制限するためにも必要です。45度未満の角度を持つオーバーハングは、設計段階で可能であれば避けるべきです。この主な利点は、材料の使用量と、設計された部品からサポート構造を除去する後処理の必要性を減らすことです。[ 3 ]
部品全体を構築するために必要なレイヤーの総数は、構築方向に沿って測定した部品の高さに正比例します。印刷する部品の各レイヤーでは、ローラーを使用して粉末材料の圧縮された薄い層をしっかりと敷き詰め、機械に供給された 3D データに従って水平面内でレーザーをトレースし、次に敷設するレイヤーのために粉末ベッドを段階的に下げる必要があります。これらのプロセスにはかなりの時間がかかるため、高さを小さくするように製品を再設計すると、製造時間を大幅に節約できます。[ 4 ]構築方向は、部品の高さが構築方向に沿って最小になるようにする必要があります。
上部のレーザーによって発生する熱流の主な方向は、底部にある粉末層が主要なヒートシンクであるため、造形方向に沿っています。DMLS では、材料の層状添加と方向性のある熱流により、造形方向に沿って微細構造の結晶粒が成長し、異方性特性が生じます。[ 5 ] DMLSで造形された構造は、造形方向に沿って特性が弱くなります。この異方性は熱処理法で除去できますが、非常にエネルギーを消費し、コストのかかるプロセスです。したがって、このような構造部品の設計の最初から異方性を考慮し、構造内の最大の応力方向が水平面になるようにすることが推奨されます。
DMLSは積層造形技術であるため、部品の複雑さによる追加コストは発生しません。製造コストと時間を決定するのは、造形体積と積層数です。DMLSは金型製作の必要性を排除しますが、このような技術は規模の経済の影響を受けにくいです。したがって、余分な体積を最小限に抑え、関連する形状のみを構築するように部品を設計することが推奨されます。[ 6 ]さらに、複雑な形状のサブアセンブリを印刷することが可能になったため、組み立ての必要性を回避するように部品を設計する必要があります。 [ 7 ]