金属3Dプリンターの精度について|金属3Dプリンター受託造形サービスのことなら株式会社J・3D

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事業内容 金属3Dプリンターの精度について
Accuracy of metal 3D printer
樹脂3Dプリンター

金属3Dプリンターで造形した製品の精度については弊社でもNo1の質問事項です。

どの工法においても精度は気になるものです。

既存工法でも試作部品として利用されるであろうものには、精度の高い加工が要求されるのは当たり前です。

非常に大事な項目でもありますので、できる限り詳細に解説いたします。


レーザースポット径

金属3Dプリンターはで使用するレーザーはファイバーレーザー(Yb-fiber laser, 400W)を使用しています。

このレーザーは細いファイバ内に光を閉じ込めているためエネルギー変換効率が高いという特徴がありますが、更にレンズで集光させて熱源にしています。

集光サイズは0.1mm。これがいわゆるスポット径という事になりますので、理論上でも事実上でも0.1mm以下の壁厚を作ることは不可能です。

また0.1mmのスポット径から発生られた熱源は周りの金属粉末にも影響を与えます。


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金属粉末

金属3Dプリンターで使用する金属粉末は40μmほどの粉末になっています。もちろんそれよりも大きなものや小さなものも混在していますが大半が40μmになります。

造形ステージ上にムラなく敷き詰められ、必要な個所にレーザーが照射されるわけですが、前項で述べたようにレーザーのスポット径は0.1mmになり、光が当たった個所の周りの粉末にも影響を及ぼします。

更に詳しい金属材料についてはこちらから

例を挙げて言えば、0.1mmのレーザーを当てた場所には40μmの粉末が最低限3粒必要になりますよね。2粒はレーザーの直接エネルギーで完全に溶融されますが、残りの必粒は半分のレーザーしか当たりません。しかし、その一粒の金属粉末が溶けたら3粒引っ付いてしまいます。すると40μmの粉末3粒分の精度になってしまいます。

40μm×3=120μm しかし実際の余裕ではもっと激しいことが起こっています。その隣の金属粉末も溶けた金属に吸い寄せられ溶けないままくっついているのです。つまり40μm×4=160μmになっています。

大げさな話のように感じるかもしれませんが、写真がその現象をとらえております。

無数の金属粉末が溶けた金属が原因で付いています。


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積層厚み

積層厚みとは造形の1層1層の積み重ねる高さの事を指しています。

簡単に考えるとしたならば鉄板(1mm)を思い浮かべてください。この鉄板のサイズは公差0で作られていたと仮定しますが、上に綺麗に積み重ねていっても鉄板1枚1枚の側面の加工精度に準拠する制度で完成します。

しかし、斜めに積み重ねていくとずれているとこには1mmの段差ができるわけです。

この原理と金属3Dプリンターの原理は全く同じで、斜め形状の部分は1層1層ずれながら上がっていきます。(積み重なって)

すると、斜め形状の部分には階段のような筋が入り、実際そのような精度になってしまうのです。

マルエージング鋼の場合、積層厚みは50μmですから50μmの段差を作りながら積層されていきます。


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収縮

レーザーを照射された金属は1500度まで熱せられ金属の融点に達しますが、レーザーが過ぎ去ればすぐに冷めて固体化します。

瞬間的には膨張して収縮をします。

金属も熱を加えれば膨張することは皆様もわかっていらっしゃいますので割愛しますが、金属3Dプリンターで大きな試作品を造形すると積み重なった熱も蓄積してきます。

また分厚い壁から急に薄くなるような場所を造形するとその膨張は顕著に現れます。

膨張収縮は精度にも大きな影響を及ぼすほか、熱歪みとしても現れます。

大きな造形品は熱収縮も大きくなる傾向があります。


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ニアネットシェイプ精度

金属3Dプリンターの造形精度はレーザースポット径、金属粉末、積層厚み、収縮などが重なってきますので皆様が思っているよりはるかに精度は悪い。

公差が必要な試作品の場合、機械加工の取り代を設けさせて頂きますが、小さなものでも0.5、大きなもので1.5mmの取り代を付けます。

装置メーカーの言う精度は±0.05~0.1とうたわれておりますが、実際の現場から見れば0.1~1mmと結論付けます。

精度が必要な個所は切削用の取り代が必要ですし、摺動部に使えない面粗度であり、精度と言えます。

あくまでもニアネットシェイプだということを理解していただけると金属3Dプリンターの使い方が変わってくると思います。



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