研削から仕上げまで: 積層造形のための後処理ソリューション

3D プリントされた金属部品の仕上げ後の作業負荷は非常に低く、研削は最終公差を満たすための効果的なソリューションとなる可能性があります。航空宇宙および医療市場で積層造形が広く使用されるようになったことで、最終用途のニーズを満たすために積層造形部品の表面を仕上げる要件が高まり続けています。

低コストで低加工の金属部品は 3D プリントされており、研削は最終公差を満たすための効果的なソリューションとなる可能性があります。

最終用途の要件を満たすために航空宇宙市場や医療市場で積層造形が広く使用されているため、積層部品の表面仕上げの要件が高まっています。積層造形プロセスでは、ニアネットシェイプのコンポーネントが製造されるため、最終仕上げの必要性が大幅に軽減されます。積層造形の助けを借りて、材料の廃棄率を減らすことができ、製造プロセス全体にとって有益です。ただし、これは、その後の仕上げプロセスでの意思決定テクノロジーと一貫性に対する要件がますます厳しくなっているということも示しています。したがって、コンポーネントの公差と表面品質の要件を満たすために、後処理の一貫性を確保してください。公差や表面に対してより高い要求が課される用途では、研削が積層造形のもう 1 つの効果的なオプションになる可能性があります。

他の従来の材料除去プロセスと比較して、研削によって得られる表面品質と表面の完全性は良好な状態にあります。積層造形の仕上げ、特に航空宇宙産業で使用されるニッケル基超合金部品について深く理解するために、Saint-Company のエンジニアは積層造形を使用して製造された 718 個のサンプルの精密研削に関する研究を実施しました。この調査は一般に 3 つの質問を中心に構成されています。最初の質問は、積層造形で製造された部品から削り落とす必要がある材料の最小量はどれくらいか、または材料の量をどのくらい削るべきかということです。 2 番目の質問は、積層造形で製造された部品を研削するために最新世代の砥石車を使用すると、どのような表面仕上げが達成できるかということです。第三に、精密研削の表面に残留応力が積層造形されたコンポーネントに存在する場合、それはどのような影響を及ぼしますか?

同社が提供し、直接金属レーザー焼結 (DMLS) プロセスを使用して製造された AM IN718 サンプル。図 1 は積層造形テスト サンプルを示しています。積層造形が完了したら、サンプルにメディア サンドブラストを施し、応力を除去します。その後、熱間静水圧プレス、溶体化処理/焼鈍、析出硬化が行われます。サンプルの硬度は 40 HRC です。次にサンプルを、Saint-Grinder Technology Center の MFP-125.50.65 間欠送り粉砕機の砥石車を使用して粉砕しました。図 2 と 3 にテストのセットアップを示します。

図1 研削前のAM 718テストサンプル

図 2 マシン全体の設定

図3 装置の拡大図

まず、徐々に切り込みを深くし、数箇所の研削加工を行い、最低限除去する材料の量を決定した後、積層造形の表面処理を行います。次に、指定された切り込み深さに従って研削し、表面に明らかな欠陥がないか確認します。図 4 は、実験中に部品を洗浄した後のサンプルの写真を示しています。実験結果によると、積層造形プロセス中に生じるすべての幾何学的不一致と表面欠陥を除去するには、コンポーネントから約 0.30 ～ 0.45 mm の材料を除去する必要があります。

この試験で使用した研削長さは50.8mm、砥石径は462mm、加工速度は23m/sです。材料除去速度 (MRR) の合計 5 つの側面が、0.1mm3/秒/mm から 3.9mm3/秒/mm の範囲でテストされました。送り速度（mm/min）または切り込み深さ（mm）を変更することで、材料除去速度を調整します。低および中程度の材料除去速度が表面仕上げと研削能力に及ぼす影響を評価するために、複数の材料除去速度テストが実施されました。最新の人工研磨材を使用して、718 などのニッケルベースの合金を比較的高い除去速度で研削することは可能ですが、この研究では、今日の業界で標準的なワークピースの仕上げに使用されている標準的な仕上げ速度に基づいて、より低い材料除去速度が選択されました (図 4)。標準的な（積層造形ではない）ワークピースの研削を例にとると、材料除去率が増加し続け、研削力が追従するにつれて、研削後のワークピースの表面仕上げ（Ra）が向上するか、表面が粗くなることが予想されます。

図 4 部分研磨後の AM 718 テストサンプル

研削の前に、Federal Contact Profiler System 5000 を使用してワークピースの表面仕上げを測定します。測定時に使用される測定点は、具体的にはワーク上の複数の位置であり、2 つの方向があります。これら 2 つの方向を図 5a と図 5b に示します。さらに、非接触粗面計の表面測定活動が複数の場所で実施されました。

図５（ａ）を参照すると、表面仕上げの測定方向は研削方向と平行である。図 5(b) の表面仕上げの測定方向は研削方向に対して垂直です。

研削の前に、積層造形材料の表面仕上げを評価しました。評価の結果、測定方向によって仕上がりに大きな差があることが分かりました。長手方向に測定した場合、平均平滑度は 3.3μRa です。横方向から測定した場合の平均平滑度は2.1μmRaです。この大きな違いは、標準の鋳放し 718 材料を測定する場合には発生しません。この違いは3Dの製造方法に関係しているようですが、正確な理由はまだ明らかになっていません。

従来の接触式表面粗さ測定法では、研削後の表面仕上げを研削ラインと平行ではなく、研削ラインに対して垂直に測定していました。この研究では、研削線に平行な方向と研削線に垂直な方向の表面仕上げを測定しました。その後、研削後の測定結果と研削前の縦方向の測定結果とを比較し、また、研削後の測定結果と研削前の横方向の測定結果とを比較する。

重要な点は、研削線に対して垂直方向の研削面を測定する場合、スタイラスは研削線の山と谷を横切ることです。ただし、平行方向に測定する場合、スタイラスは研削線と平行に移動し、山谷マークを横切ることはありません。したがって、当然のことながら、この研究では、垂直方向の測定から得られた（粗い）表面仕上げを表す値は、平行方向で測定した値よりも大幅に高かった。

積層造形材料の研削前後の表面仕上げを評価すると、測定方向が異なると仕上げに大きな差があることがわかります。この研究では、研削線に平行な方向と研削線に垂直な 2 つの方向を使用して表面仕上げを測定しましたが、結果には確かに大きな違いがありました。平行方向で測定した場合、研削前の平均表面粗さ値は3.3μmRa、研削後は0.21μmaとなります。垂直方向から検査した場合の平均仕上げ面は研削前2.1μmRa、研削後0.5μmRaです。

さらに、3D 表面形状計と白色光色差技術を使用して添加剤サンプルを分析し、表面の特徴を視覚的な形式で表示しました。このテストでは、積層造形サンプルを受け取った後、ガラスメディアを使用してサンドブラストを行い、表面の凸部を除去しました。研削後、表面に見える線は研削操作で残った線です。コンポーネントの性能と品質にとって重要な場合は、より細かい研磨ホイールや、加工ベルトなどの他の研削製品を使用して、表面の線をさらに減らし、超微細な表面を作成できます。

AM IN718 サンプルの表面全体の完全性に対する研削の影響をさらに理解するために、-AXS D8 マイクロ回折装置を使用して、サンプルを受け取って研削した後の表面残留応力を測定しました。同一サンプルの異なる6箇所の2条件での測定結果を比較したところ、どちらの条件でも表面近傍の残留応力は負の値、つまり圧縮力が存在することが分かりました。この状況は主に精密研削後の部品で発生します。表面近くの残留応力は圧縮性であるため、表面亀裂の広がりを遅らせ、疲労寿命を向上させることができます。

この研究期間中、研削力は 5 つの材料除去速度に基づいて測定されました。材料の除去速度が増加すると、それに応じて研削力も増加します。この現象はほとんどの研削作業で発生します。最低速度 0.1mm3/秒/mm では、研削中のピーク出力は 1.4kW、最高材料除去速度 3.9mm3/秒/mm では、研削出力は 10.8kW でした。

この研究の結果は、718 などの積層造形ニッケル基合金の精密研削作業により、研削ラインに平行な場合は表面粗さをほぼ 94%、研削ラインに垂直な場合は 34% 低減できることが確認されました。要件に応じて、より細かい砥粒を備えた砥石車やエンジニアリング研削ベルトなどの他の研削製品を使用して、超微細な表面を得ることができます。さらに、結果は、表面の細かさを改善するには、コンポーネントから 0.30 ～ 0.45 mm の材料を除去する必要があり、3D 製造プロセスに関連するすべての幾何学的不一致を除去する必要があることも示しています。積層造形メーカーは、積層造形コンポーネントの最終形状にできるだけ近い形状を実現するための最もコスト効率の高いアプローチを実現しようと努めているため、最小除去速度は重要な要素です。さらに、残留応力データは、研削後の表面応力が圧縮であることを示しており、これにより表面亀裂の拡大が遅延し、それによって製造された部品の疲労寿命が延長される可能性があります。

この記事の著者: Dr. K.、ジョン・ヘイガン