金属 3D プリンターのガス循環濾過システムの最適化された設計と主要な性能要素

Apr 16, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14267 (2022) この記事を引用

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2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

金属3Dプリンターの部品品質をさらに向上させるためには、構造の最適化やガス循環濾過システムの性能検討が必要です。まず、パラメトリックモデリング手法を使用して、形成されたキャビティのモデリングを完了しました。次に、モールドフローシミュレーション手法を用いて成形キャビティの空気入口構造の設計を最適化し、最後に、成形品の構成部品の組立実験と測定を通じて最適化された設計結果を評価しました。パラメトリックモデリングとモールドフローシミュレーション手法を組み合わせることで、高いモデリング効率が得られ、ガス循環濾過システムの最適化設計に良い影響を与えました。設計を最適化した後、形成されたキャビティの乱流強度と分布領域が減少しました。湾曲したガイドプレートの 3D プリント中に、ガイドプレートホルダーの平面が加工基準面に対して 55 度傾斜するため、形状の品質が向上しました。 3D プリントされた湾曲したガイドプレートはプリンターのエアダクトの入口端に厳密に一致し、上部のガイドプレートはネジを使用して適切な位置に固定されました。設計 2 のガイドプレートによって形成された部品のニオブ含有量は低く、これが高性能金属部品の 3D プリントの基礎を築きました。

積層造形 (AM) テクノロジーを使用すると、専用ソフトウェアを使用して 3 次元 (3D) モデルをスライスし、セクションデータを取得できます1。データはその後、高速成形装置にインポートされ、層ごとの材料蓄積方法による部品の製造が可能になります2。 AM テクノロジーは、ユニットピース、少量のバッチ、複雑でコンパクトな構造など、あらゆる形状の部品の製造に使用できます3。選択的レーザー溶解 (SLM) は、金属粉末のレーザー溶解に基づいた AM 技術の一種です4,5。

SLM 技術を使用して部品を形成する場合、レーザーと粉末間の相互作用により、通常 2 つの問題が発生します6: ① レーザーによる金属粉末の選択的走査により、粉末のスパッタリングが発生します。スパッタリングによって形成された粒子は、造形ビン内で浮遊および拡散し、その後、成形サイロの周囲に飛散して粉末を汚染し、その後に形成される部品にスラグ混入欠陥が発生します。 ② レーザーが金属粉末に作用すると、粉末は燃焼、昇華、蒸発、凝縮の過程で「固体スモッグ」を形成します。この「固体スモッグ」がガルバノスキャナの保護ガラスに付着すると、レーザーが保護ガラスを通過する際に大きなエネルギー減衰が発生します。したがって、形成された金属部品は十分なエネルギーを吸収できず、欠陥が生じ、レーザー損傷が発生します。さらに、「固体スモッグ」は粉体汚染を引き起こし、成形品の欠陥を引き起こします。したがって、SLM 成形装置では、通常、造形ビン内のガスを循環させて濾過するガス循環濾過システムを設置する必要があります。

SLM 成形装置のガス循環濾過システムは、外部の循環ポンプを利用して内部の入口と排気パイプを接続します。成形ビン内のガスは循環ポンプにより排気管から排出された後、集塵装置に入り、吸気管に沿って成形ビンに戻り、成形体内のガスを循環させます。シリンダー７．ガス循環濾過システムの最初の主な機能は、成形プロセスに必要な酸素のない環境を維持することです。もう 1 つの重要な機能は、「デリバティブ」を削除することです。成形プロセスには多数のミクロンの粉末材料が含まれており、レーザースキャン溶融中にエネルギー衝撃が発生します。スパッタリング粒子がキャビンの周囲に飛散します。さらに、粉末内の一部の不純物は、溶解中に「固体煙」を生成します。「固体煙」は、沸騰した金属溶融池から電解金属蒸気が瞬間的に冷却されて形成される凝集塊で構成されており、その平均直径は1μmです。浮遊凝縮物が客室環境を汚染するのを防ぐため、特にレーザー光路の範囲に入ってレーザーの入射に影響を与えるのを防ぐために、通常、ガイドプレートは吸気管の出口に設置され、「固形煙」や飛散粒子による客室の汚染を防ぎます。ガルバノスキャナの粉末と保護ガラス。排気管の入口には集塵装置（案内溝）があり、成形キャビティ内の「固形煙」や粉末粒子を収集します。次に、循環ポンプにより、捕集された「固形煙」と粉末粒子がフィルターコアに吸収され、濾過されます。ガイド溝の設計が最適化された後、吸気管出口のガイドプレートの性能が SLM 成形装置のガス循環濾過システムの性能に影響を与える重要な要素になりました。

Fu ら 8 は、小型金属 3D プリンタの成形キャビティ内の保護ガスの流れ場の状態と、それが SLM の成形プロセスに及ぼす影響を分析しました。彼らは、次のような最適な計画を決定しました。それは、5 つの吸気口で、1 つは後部に、4 つは上部に配置されています。空気吸入比が 3/4 と 1/4 の場合、膨張に最も時間がかかり、最も優れた除煙性が得られました。 Sun et al.9 は、SOLIDWORKS Flow Simulation を使用して、金属レーザーの選択的溶解および成形装置の吹き込みシステムの流路と風場を模倣し、シミュレーション結果に従って吹き込みおよび吸収流路の構造を最適化しました。。シミュレーション計算と最適化により、印刷範囲内の風場の風速分布の変動が大幅に低減され、最適化計画の有効性が実験的に検証されました。最適化されたブローシステムにより形成された試験片の密度は、元の装置と比較して大幅に増加しました。リャンら。 E-Plus-M250 モデリング装置の成形ビンの粉体層表面に残る黒煙の残留物は、レーザー走査領域における風場の不均一な分布と、レーザーによって発生した黒煙によって引き起こされることがわかりました。シールドガス流路の構造を改良することで、フォーミングビン内の溶融金属粉を効果的に除去しました。 Liu ら 11 は、従来の不活性ガス環境の形成特性を組み合わせて、金属積層造形装置の大気保護システムを最適化しました。このシステムにより、大気保護環境の形成効率が大幅に向上し、使用コストが削減されました。これは、大容量の大気保護環境における迅速な形成および保存技術における画期的な進歩であり、その後の高性能金属部品の形成プロセスの研究に高速で安定した不活性ガス環境を提供しました。 Li ら 12 は、FLUENT 数値シミュレーション手法を使用して、形成されたキャビティの大気保護システムを設計および最適化し、ガスフィルターと大気キャビティ構造の最適な配置スキームを得ました。部品加工にマグネシウム合金を使用すると (Malin et al.13)、ガルボスキャナの保護ガラスが煙によって汚染されることがわかりました。そこで、部品加工プロセス中にガルバノスキャナの保護ガラスを清掃するための一連の装置を設計しました。ビン内の循環ガスは煙の浄化効率が低いため、異なる空気入口を設定し、流体力学解析ソフトウェア CFX を使用してビン内のガスの流れをシミュレーション、解析、比較することで改善提案を実施しました。 Ferrar ら 14 は、レーザー選択溶融成形装置によって製造された成形シリンダーベースプレート上の不活性ガスの風場分布が、成形部品の機械的特性と部品加工の再現性に大きな影響を与えることを発見しました。 Dadbakhsh et al.15 は、SLM 成形装置の成形領域における空気の流れの方向が、凝固プロセス中の温度変化率に影響を与えることにより、成形部品の性能に影響を与えると考えました。 Rehme et al.16 は、SLM 成形装置の成形プラットフォーム上の保護ガスの流れモードも、部品加工の品質と再現性に大きな影響を与えることを発見しました。 Anwar et al.17 は、SLM モデリングプロセス中の AlSi10Mg 合金の成形品質に対する不活性空気流の速度の影響を研究し、レーザー走査方向が反対の方向である場合、同じ風速で黒煙不純物をより効果的に除去できることを発見しました。風のフィールドの。私たちは初期の研究で、以下の条件下でガイド溝の集塵能力を効果的に高めることができることを発見しました。3Dプリンターの排気ガイド溝の端の角度を90°から140°に調整しました。湾曲したガイドプレートは、元の均一な角度 115°から 140°から 160°の勾配変化に調整されました。また、前後のガイドプレート間の間隔は、元の固定値 3.28 mm から 10 mm から 15 mm までの勾配変化に調整されました (Zhang et al.18)。

SLM 成形装置の内部流れ場の最適化、吸排気モードの調整、ガス循環濾過システムの位置は、成形部品の品質を向上させるために重要です。ただし、吸気管の入口モードの設計など、SLM 成形装置のガス循環濾過システムの性能に直接影響する最適化できる問題がいくつかあります。

図 1 に、この研究の具体的なプロセスを示します。

研究のフローチャート。

既存の文献に記載されている SLM 成形装置のガス循環濾過システムに関する情報と、一部の現在の装置 (GYD 150 や SLM-150 など) で使用されているガス循環濾過システムに関する情報を図 2 に示します。 SLM 成形装置の濾過システムは成形キャビティの後方に位置し、出口は成形キャビティの左下前面に位置し、戻り空気ガイド溝は空気入口の前に位置します。現在、SLM 成形機でガス循環ろ過システムを使用する際の主な問題は、部品加工終了後のキャビティやガイド溝周囲の隙間に粉状の廃棄物が堆積することです。さらに、ガルバノスキャナの保護ガラスもある程度汚れています。そこで、まず 3D モデリングソフトウェア Rhino を使用して、現在の装置で形成されたキャビティのパラメトリックモデリングを完了しました。次に、モールドフローシミュレーションソフトウェア Autodesk CFD 2022 を使用して、形成されたキャビティ内の流体の流速、圧力、乱流分布を分析し、その結果に従って最適化の方向を決定し、最適なパフォーマンスが得られるまで 3D ソフトウェアで設計を改善しました。達成。

SLM 形成デバイスの構造表現。

設計された湾曲したガイドプレートは薄く、角度の異なる小さな面取りが各所に存在します。製品開発段階で単一または小ロットで生産されます。機械加工や溶接を行うと大幅なコストアップとなります。そこで、この研究では、このような複雑な部品を製造するために 3D プリンティング法が使用されました。さらに、設計されたガイドプレートには、正確に取り付けるためのいくつかの要件があります。コストを下げるため、金属印刷前の試作にはJG Maker社製の工業用高精度デスクトップ3Dプリンターを採用し、成形材料にはPLAを使用しました。設置精度を満たした後、サンシャインレーザー製金属3Dプリント装置GYD150を使用して直接製造しました。成形部品は英国の SANDVIK Osprey Company によって製造された 316L ステンレス鋼粉末で作られ、その組成は ASTM A276 の要件を満たしていました。組成の比較を表 1 に示します。粉末はガスアトマイズによって調製され、図 3 に示すように球状でした。

316L合金粉末の微細構造。

保護空気として窒素を使用し、酸素含有量は0.03%以内に制御しました。加工レーザーの出力は 170 W、走査速度は 500 mm/s、走査スペースは 60 mm、加工層の厚さは 35 um、X-Y 層間改質走査戦略が適用されました。

3Dプリントで作製した曲面ガイド板に、ブラスト加工、研磨紙による粗研磨、研磨布による研磨という表面処理を施した。湾曲したガイドプレートの表面粗さは 3D 形態計 (MIAOXAM2.5X – 0X) を使用して測定され、その形状精度が元のガイドプレートと同じであることを確認しました。寸法精度と形状精度の要件を満たす湾曲したガイドプレートとオリジナルのガイドプレートをそれぞれ金属 3D プリンティング装置に取り付けて性能試験を行いました。このテストでは、同じバッチの粉末が使用され、同じ部品が機械加工されました。次に、ハンディタイプのサーモ XRF 合金分析計を使用して、さまざまなガイドプレートで形成される部品の組成を分析し、これらの部品の組成を比較することで設計されたガイドプレートの性能を評価しました。

パラメトリックモデリングソフトウェア Rhino を適用して、金属 3D プリンターの成形キャビティを設計しました。まず、シェル、パウダーブラシ、ガイド溝、入口ガイドプレートなどの成形キャビティの部品を設計し、次に Autodesk Inventor Professional ソフトウェアを使用してそれらを組み立てて、図 4a に示すように成形キャビティを完全にモデル化しました。。 3D プリンターの設計されたキャビティモデルは、モールドフローシミュレーションソフトウェア Autodesk Simulation CFD にインポートされました。 CFD ソフトウェアでは、最初にエッジマージコマンドを適用してモデル内のエッジの数を減らし、次に作成面コマンドを使用して成形キャビティの入口と出口の端を閉じ、流体領域の入口を生成しました。 : 速度 - 入口、出口圧力 - 出口、その他: 図 4b に示す壁。壁材質は 316L ステンレス鋼、液流の物性は窒素（粘度 1.78e−5 Pa・s、密度 1.25 kg/m3）とした。 SLM 成形装置のファン吸排気の最大流量は 1.30 m3/min でした。成形キャビティ入口端での流量損失のため、湾曲ガイド板入口端の流速を7,500mm/s、出口端の圧力を0Paに設定し、自動噛合を採用した。

3D プリンターによるキャビティ構造の形成とシミュレーションモデルの概略図: (a) キャビティ構造の形成。 (b) 流体シミュレーションモデル。

通常、流体が成形キャビティの下部入口から入る場合、流量が高くなるほど圧力は低くなり、乱流の分布範囲は小さくなります。さらに、乱流強度が風速の範囲内であるため、粉体が飛ばされず、レーザーが粉体に作用した際の飛散粒子や「固体スモッグ」の排出に有利です。成形キャビティの上部入口は、ガルボスキャナの保護ガラスの汚染を避けるために調整する必要があります。したがって、流体が上部入口を通って成形キャビティに入るとき、乱流の分布範囲と強度は可能な限り小さくなければなりません。さらに、飛散粒子や「固体スモッグ」が保護ガラスに近づくのを防ぐために、十分な流量を維持する必要があります。この分析に基づいて、成形キャビティを流れる流体の流量、圧力、乱流分布が、金属 3D プリンタのガス循環濾過システムの品質に影響を与える主な要因であることが判明しました。そのため、金属3Dプリンターの成形キャビティ内を流れる流体の状態をシミュレーション・解析し、性能のメリット・デメリットを総合的に評価し、最適化戦略を決定する必要がありました。

図 5 は、成形キャビティを流れる流体の流れ場分布図を示しています。図５ａに、成形キャビティの下端における窒素の流速分布を示す。電流形成キャビティは接続性が良く、出口端での流速が高かった。測定流速は 52.35 × 103 mm/s、体積流量は 10.65 × 104 mm3/s でした。粉末シリンダーの上端では、流体の流れの層が互いに干渉し、分布が比較的乱れていました。乱流はフォーミングシリンダーの上端で層流を著しく妨げ、パウダーブラシの左側と下端、およびガイド溝の端にある流動真空ゾーンは流体の流入を促進しませんでした。流れ。これにより、案内溝の飛散粒子や固形スモッグの排出能力が大きく低下し、成形品の欠陥が発生しやすくなっていました。図５ｄには、上部入口端から成形キャビティに入る窒素の流速分布が示されている。上部入口での激しい局所的なガス逆流が液体の流入を妨げ、乱流が発生し、ガルボスキャナの保護ガラスに付着した「固体スモッグ」が発生し、それによってレーザーの通過能力が弱まり、さらにはレーザーにダメージを与えます。図５ｂおよび図５ｅには、成形キャビティを通って流れる窒素の圧力分布が示されている。圧力は成形キャビティ内に均一に分布し、入口端の圧力は最大で 9,672.84 Pa に達しました。成形キャビティの出口端付近の圧力は負の勾配関係を示し、空気が流れていないことを示しています。スムーズに動作し、静圧が均一に分散されていないことを確認します。このような状況では、局所的な空気の逆流が発生しやすくなります。図５ｃには、下部入口端から成形キャビティに入る窒素の乱流分布が示されている。成形キャビティの最大の乱流運動エネルギーは主にガイド溝の端部とパウダーブラシの左端および後端に集中し、成形キャビティ内の流れ場の乱れや粉体汚染を引き起こしました。エアの排出が悪い。図5fには、上部入口端から成形キャビティに入る窒素の乱流分布が示されています。乱流は主に入口端に集中しており、他の場所では明らかな乱流は見つかりませんでした。上記の現象の理由を特定することにより、ガイド溝の最適な設計は上部および下部入口端の不適切な構造に関連している可能性があると結論付けました。これは、入口端の構造最適化の重要な基礎となりました。空洞を形成しています。 SLM成形機のオリジナル成形キャビティ内を流れる窒素の流れ場分布解析結果を利用し、ガイドの設定など成形キャビティの入口上下端の構造を調整し、流れ場分布を最適化しました。皿。

成形キャビティ内の金型流動のシミュレーション結果: (a) と (d) は速度分布図です。 (b) および (e) 圧力プロファイル。 (c) および (f) 乱流プロファイル。

流体力学と成形キャビティの性能関連要因分析に従って、乱流が成形キャビティの内部性能に影響を与える主な要因であることが判明しました。粉体の汚染を減らし、「固体スモッグ」によるガルボスキャナの保護ガラスの汚染を回避するには、円形の穴から成形キャビティへの空気の乱流を層流に変える必要があります。これは、成形キャビティの空気入口端の構造を丸穴からガイド板形状に調整し、多層レイアウトを適用することで実現しました。次に、ガイドプレートの入口端に近い部分を平滑化した。ここでは 2 つの最適化計画を作成しました。設計 1 では、成形キャビティの上部入口端は 2 層の湾曲したガイドプレートで設計され、設計パラメータには、厚さ 1.18 mm、尾部の面取り 0.2 mm (半径)、全長 15.95 mm、上下間隔は5.09mmです。図6bに示すように、下部入口端の入口モードは変化しませんでした。設計 2 では、成形キャビティの上部入口端のモードは設計 1 と同じでした。成形キャビティの下部入口端は 2 層の湾曲したガイドプレートで設計され、設計パラメータには厚さ 1.0 mm、テール部面取り0.2mm（半径）、全長12.95mm、上下間隔4.28mm。粉吹きを避けるために、図6cに示すように、底部間隔を5.5 mmに設定し、成形キャビティの上下のガイドプレートの固定フレームを成形キャビティの側面に0.2 mmで面取りして乱流を軽減しました。。上記の 2 つの設計プランでは、成形キャビティ内の局所的な空気流が強すぎるために粉末が吹き飛ばされて粉塵が形成されるのを避けるために、ガイドプレートは 2 層になっています。比較解析のために、図6aに示すように、3Dプリンターの吸気管の出口端の元の構造モデルを作成しました。

3D プリンタの入口パイプ出口端の構造: (a) オリジナルの構造。 (b) 最適化設計 1。 (c) 最適化設計 2．

図 7 に、成形キャビティを流れる流体の流れ場分布を示します。図７ａには、成形キャビティの下端における窒素の流速分布が示されている。流体は成形キャビティ内で良好な接続性を示し、出口端での流速が高く、測定流速は 53.05 × 103 mm/s、体積流量は 14.01 × 104 mm3/s でした。流速、体積流量とも最適化前より若干高くなったことから、成形キャビティ内から排ガスが排出されやすくなり、成形キャビティ内の空気の浄化に寄与していることが示唆された。成形キャビティ内の窒素の流動状態から判断すると、粉末シリンダー上端の流体流動層間の相互干渉は依然として存在するものの、分布面積は減少した。流れのある真空領域は、パウダーブラシの左側と下端、およびガイド溝の端に現れ、ガイドプレートがない場合と同様に、粉体ブラシ内の固体スモッグの排出に一定の影響を与えました。空洞を形成しています。図７ｄには、上部入口端から成形キャビティに入る窒素の流速分布が示されている。成形キャビティ内の上部流体は層状に流れ、ガイドプレートを追加した後、それらの間に干渉はありませんでした。これにより、ガルボの下端に「固体スモッグ」と飛散粒子の「隔離ゾーン」が形成され、ガルボの保護ガラス表面に付着した汚染物質が除去され、レーザーがスムーズに保護ガラスを通過できるようになった。図７ｂおよび図７ｅには、成形キャビティを通って流れる窒素の圧力分布が示されている。成形キャビティ内の圧力は均一に分布しており、入口端の圧力は最大で9,188.76Paまで達しました。ガイド板なしの場合と比べて圧力が低下しており、空気がスムーズに流れていることが分かりました。図７ｃには、下部入口端から成形キャビティに入る窒素の乱流分布が示されている。現在の成形キャビティ内の乱流運動エネルギーの分布は、元の成形キャビティ内の乱流運動エネルギーの分布と同様であり、大きな変化は見つかりませんでした。図7fには、上部入口端から成形キャビティに入る窒素の乱流分布が示されています。乱流は主に入口の両端に集中しており、その他の場所では明らかな乱流は見られませんでした。さらに、軌道成形キャビティに比べて分布面積が小さく、強度がはるかに小さいことから、ガイドプレートを円形の穴からシート状に変更することにより、成形キャビティ内の流体の分布が効果的に改善されたことが示されました。一般に、成形キャビティ内の流体の分布は設計 1 を使用して明らかに改善されましたが、まだいくつかの欠陥がありました。例えば、成形キャビティの下端における乱流および成形キャビティの上部入口の両端における乱流は依然として大きかった。上記 2 か所の乱流分布強度レベルと面積が大きいのは、成形キャビティの上下端の入口における流速の違いと、ガイドプレートの両端の面取りの欠如によって引き起こされる可能性があります。そこで、これら 2 点に基づいて成形キャビティの入口モードをさらに最適化しました。

図 8 に、成形キャビティを通って流れる流体の流れ場分布を示します。図８ａには、成形キャビティの下端における窒素の流速分布が示されている。成形キャビティの接続性は良好で、ガイドプレートを追加した後の出口端では高い流速が得られ、測定流速は 53.08 × 103 mm/s、体積流量は 19.74 × 104 mm3/s でした。流速、体積流量ともに案内板を追加しない場合に比べて大きくなっており、成形キャビティ内から排ガスが排出されやすくなり、成形キャビティ内の空気浄化に寄与していることが考えられます。配布および最適化計画は設計 1 と同様でしたが、配布エリアは大幅に減少しました。流れのある真空領域はパウダーブラシの左側にのみ現れました。これは、ガイドプレートの追加が成形キャビティ内の固体スモッグの排出に有益であることを示しています。図８ｄには、上部入口端から成形キャビティに入る窒素の流速分布が示されている。流れ場の分布は設計 1 の分布と同様でした。図 8b と図 8e には、成形キャビティを通って流れる窒素の圧力分布が示されています。圧力は成形キャビティ内で均一に分布し、入口端の圧力は最大で 9,206.75 Pa で、これは設計 1 と一致していました。図 8c では、成形キャビティに入る窒素の乱流分布が示されています。下部の入口端が示されています。現在の成形キャビティ内の乱流運動エネルギーの分布は元の成形キャビティと同様であり、乱流はパウダーブラシの左側とガイド溝の出口に現れました。設計 1 と比較して、分布面積とサイズの両方が減少しました。図 8f には、上部入口端から成形キャビティに入る窒素の乱流分布が示されています。乱流は主に入口の両端に集中しており、その他の場所では明らかな乱流は見られませんでした。ガイドプレートホルダーを面取りした後、設計 1 と比較して分布面積と強度の両方が大幅に減少しました。一般に、成形キャビティの上部と下部の入口にガイドプレートを追加することにより、成形キャビティ内の流体の分布が明らかに改善されました。「固体スモッグ」の排出に貢献し、ガルバノスキャナの保護ガラスの汚染を回避しました。

部品の 3D プリント中の配置やサポートの追加方法が異なると、サポートの追加量や部品の形成層の厚さが異なり、部品の形状品質や成形効率に直接影響します。 FDM技術を用いて曲面ガイド板を製造する場合、ホルダーと基板を平行に配置することで加工効率を向上させます。大きな加工セクションを考慮して、基板の予熱温度と 25% のサポートの追加を適切に高めて、応力集中を軽減し、座屈変形を回避できます。 SLM 技術を使用して湾曲したガイドプレートを成形する場合、SLM 成形部品の配置とサポート追加モードに関する以前の研究では、大きな加工を避けるために、ガイドプレートホルダーの平面を加工基準面に対して 55° 傾ける必要があることが明らかになりました。セクションでは、応力集中を軽減し、複数のホルダーを追加します (Zhang et al.19)。さらに、湾曲ガイドプレートの加工リスクをさらに理解するために、Magics ソフトウェア 22.0 を使用して加工リスクを分析しました (図 9a)。図9aによると、SLMベースの湾曲ガイドプレートの機械加工リスクは主にガイドプレートホルダーの下端と上端に現れましたが、他の場所では機械加工リスクは検出されませんでした。したがって、機械加工要件は満たされました。加工リスク解析後に完成した湾曲ガイド板にラインサポートを追加しました。サポート追加結果を図9bに示します。図9bによると、湾曲ガイドプレートのサポート追加は、サポートが簡単に除去できる非重要な部分に主に焦点を当てており、サポート追加の量は少なかった。また、粉末廃棄物の量も少なかった。これらは、SLM 成形部品のサポート追加原則に準拠しています。さらに、これまでの経験から、ＳＬＭで形成されたガイド板の断面の走査線は長く、部品の高さは高くなければならない。また、応力の蓄積が激しく収縮性も大きく、座屈変形を引き起こす可能性がある。図9bに示すように、ガイドプレートホルダーとデータムプレートの間の結合力を強化するために、ガイドプレートホルダーの底部にいくつかの混合サポート（円錐形および線形サポート）を追加しました。

SLM 成形曲面ディフレクターの加工技術: (a) 加工リスク分析。 (b) 配置とサポートの追加。

FDMによって形成された湾曲したガイドプレートを図10aに示します。 FDM によって形成された湾曲ガイドプレートの全体的な形態は、明らかな座屈変形や成形欠陥がなく、高い表面平滑性と明確な構造を備えていました。表面処理後、湾曲したガイドプレートを GYD 150 金属 3D プリンタに配置してマッチングをテストしたところ、FDM で形成された湾曲したガイドプレートが 3D プリンタのエアダクトの入口端とネジに厳密に一致していることがわかりました。固定穴は適切な位置にあり、組み立て要件を満たしていました。これらは、金属製の湾曲したガイドプレートの 3D プリントの基礎となります。 SLM によって形成された湾曲したガイドプレートを図 10b に示します。湾曲したガイドプレートの全体的な形態は、明るい表面と良好な金属の質感を示し、構造フレームは明らかな座屈変形や成形欠陥もなく、良好に接続されていました。しかし、ガイドプレートホルダーの下端には明確な方向性を持ったスラグの付着が発生した。スラグの付着量は多くなかった。治療後は使用に影響はありませんでした。スラグが付着する原因としては、ガイドプレートホルダーの平面が加工基準面に対して55°傾いていることが考えられます。ＳＬＭにより形成された湾曲ガイド板の表面粗さを測定したところ、１１μｍであった。ブラスト処理と研磨後の厚さは 3 µm で、使用要件を満たしていました。表面処理後、湾曲したガイドプレートを GYD 150 金属 3D プリンタに配置してマッチングをテストしたところ、湾曲したガイドプレートは 3D プリンタのエアダクトの入口端と厳密に一致しました。上部ガイド板はネジで適切な位置に固定し、下部ガイド板は吸気口に「固形煙」や飛散粒子が詰まらないように貼り合わせ方式で密着固定しました。このことは、設計した湾曲ガイド板の整合性能が使用要件を満足していることを示している。

3D プリントされた曲面ディフレクターの効果とマッチングテスト結果: (a) FDM 技術成形。 (b) SLM 技術の成形。

SLM 装置の入口端にある異なる構造の湾曲ガイド板で形成された部品の組成試験を表 2 に示し、試験誤差線を図 11 に示します。図 11 によれば、ヒストグラム誤差線は鉄を表す長さは他に比べて長くなっていますが、許容範囲内です。したがって、複数回測定された元素の平均値を使用して、さまざまな元素の含有量を表すことが信頼できます。表１と表２を比較することにより、ＳＬＭによる部品の成形中に生成されるダスト不純物は主にニオブ（Ｎｂ）であることが判明した。この組成物は、レーザーが金属粉末に作用するときの粉末のスパッタリングによって生じる可能性があります。表 2 のダスト組成を比較すると、SLM 装置の入口端の構造の異なるガイド板で形成される部分は基本的に同じ組成を持ち、主な違いは Nb 含有量にあることがわかりました。ガイドプレートの平均 Nb 含有量 (設計 1) は 0.25% でしたが、さらなる最適化後 (設計 2) は 0.15% でした。これは、内部流れ場分布がより良好であり、成形部品の品質がより高いことを示しています。、SLM 装置の入口端の構造が最適化された後。この結果は、SLM 装置における以前の流れ場シミュレーション解析結果を検証しました。

測定エラーライン。

この研究では、モールドフローシミュレーション解析を使用して、現在の SLM 装置の内部流れ場分布の長所と短所を分析しました。不均一な流れ場分布は、主に、ガイド溝の設計が最適化された後の上部および下部入口端の不合理な構造設計に関連していました。成形キャビティの空気入口端の構造を丸穴からガイド板形状に調整し、多層レイアウトを適用する最適化計画を決定しました。入口端付近のガイドプレートも滑らかに仕上げました。

設計 2 の湾曲ガイド板の乱流は主に入口両端に集中しており、その他の箇所では目立った乱流は見られませんでした。ガイドプレートホルダーの面取り後、分布面積と強度の両方が大幅に減少し、「固体スモッグ」の排出に貢献し、ガルボスキャナの保護ガラスの汚染を回避しました。 SMLを使用してガイドプレートを成形する場合、ガイドプレートホルダーの平面を加工基準面に対して55°傾けることにより、大きな加工部の発生を回避し、応力集中を軽減し、ホルダーを複数追加することができます。

表面処理後、湾曲したガイドプレートを GYD 150 金属 3D プリンタに配置してマッチングをテストしたところ、湾曲したガイドプレートは 3D プリンタのエアダクトの入口端と厳密に一致しました。上部ガイド板は適切な位置にネジで固定しました。ＳＬＭ装置の入口端の構造の異なるガイド板で形成される部分は基本的に同じ組成を有しており、主な違いはＮｂ含有量にある。設計 1 のガイドプレートの平均 Nb 含有量は 0.25% で、さらなる最適化 (設計 2) の後では、平均 Nb 含有量は 0.15% でした。

SLM 成形装置の内部流れ場をさらに最適化するには、SLM 成形装置の内部パウダーブラシの構造調整モードやガイドパイプの曲率設定を決定するなど、基礎を築くための追跡実験が必要です。 SLM を使用して高性能部品を直接製造します。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、河南省の大学の主要科学研究プロジェクト (22A460006) および周口師範大学の高レベル人材のためのスタートアップ基金 (ZKNUC 72019) によって資金提供されました。

周口師範大学機械電気工学部、河南省、周口、中華人民共和国

張国清、李俊新、周暁宇、周永生

華南理工大学機械自動車工学部、中国広東省広州市、510640、中華人民共和国

王安民

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私は作品の構想やデザインに多大な貢献をしてきました。または作業のためのデータの取得、分析、または解釈。そして私はその作品の下書きをしたり、重要な知的内容について批判的に改訂したりしました。そして私は最終版の公開を承認しました。また、私は、作業のあらゆる部分の正確性または完全性に関連する問題が適切に調査され、解決されることを保証するために、作業のあらゆる側面に対して責任を負うことに同意します。ZG と LX は、曲面ディフレクターの設計を完了しました。 ZX、ZY、WAは曲面ディフレクターの製作と解析を完了しました。著者全員が論文の準備に参加し、最終論文を承認しました。また、この研究は、ZKNUC の分析および試験センターの支援を受けて分析を実施しました。編集と執筆の援助を提供したが著者ではない人を含む、原稿で報告されている研究に多大な貢献をしたすべての人物が原稿の謝辞セクションに名前が記載されており、名前を書くことについて書面による許可を与えています。原稿に謝辞が含まれていない場合、それは著者が著者以外から実質的な寄稿を受けていないためです。

張国清氏への通信。

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転載と許可

Guoqing, Z.、Junxin, L.、Xiaoyu, Z. 他。金属 3D プリンターのガス循環濾過システムの最適化された設計と主要な性能要素。 Sci Rep 12、14267 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18524-x

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受信日: 2022 年 3 月 12 日

受理日: 2022 年 8 月 16 日

公開日: 2022 年 8 月 22 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18524-x

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