ステレオリソグラフィーのDFM解析

添加製造(DFAM)の設計では、(多くの添加剤製造プロセスに当てはまる)広いテーマと特定のAMプロセスに特有の最適化の両方がある。 ここでは、ステレオリソグラフィー(SLA)プロセスによって製造される部品(またはアセンブリ)を設計する際に、製造可能性(DFM)の考慮事項が適用されるステレオリソグラフィーのDFM分析について説明する。 SLAでは、部品は樹脂の表面を走査するレーザー光に露光されると硬化する(光重合)光硬化性液状樹脂から作られる。 アクリレート、エポキシおよびウレタンを含む樹脂が典型的に使用される。 複雑な部品やアセンブリは、鋳造、成形、金属製作、機械加工などの従来の製造方法よりも、一度に直接製造することができます。 このようなシームレスなプロセスの実現には、設計者がプロセスによる部品(またはアセンブリ)の製造可能性を考慮する必要があります。 どのような製品設計プロセスにおいても、繰返し、時間および材料の浪費を減らすためにDFMの考慮が重要です。

ステレオリソグラフィの課題

材料
過度のセットアップ固有の材料費とサードパーティー樹脂のサポートの欠如は、SLAプロセスにとって大きな課題です。 材料の選択(設計プロセス)は、サポートされる樹脂によって制限されます。 したがって、機械的性質も固定される。 予期される応力に対処するために寸法を選択的に拡大する場合、ポストキュアは、UV光および熱によるさらなる処理によって行われる。 機械的特性に有利であるが、追加の重合および架橋は、収縮、反りおよび残留熱応力を生じさせる可能性がある。 したがって、その部分はその「緑色」段階、すなわち前処理段階で設計されなければならない。

セットアップとプロセス
SLAプロセスは付加的な製造プロセスです。 したがって、方向、プロセス緯度、支持構造などの設計上の考慮事項を考慮する必要があります。 オリエンテーションはサポート構造、製造時間、部品品質、部品コストに影響します。 複雑な構造は、望ましくない応力を生じる可能性のある配向のために適切に製造することができないことがある。 これは、DFMガイドラインを適用できるときです。 ステレオリソグラフィの設計実現可能性は、シミュレーションおよび/またはガイドラインに基づいて分析することによっても検証することができる

ルールベースのDFMに関する考慮事項
DFMにおけるルールベースの考慮事項は、製造中の故障を避けるために部品が満たさなければならない特定の基準を指します。 プロセスが従う層ごとの製造技術を前提とすると、その部品が有する可能性のある全体的な複雑さには何らの制約もない。 しかし、プリンタの開発者/学者の経験を通して、その部分を構成する個々の機能が特定の「実現可能性の限界」内にあることを確実にするために守らなければならないルールがいくつか開発されています。

プリンタの制約
SLA製造における制約/制限は、プリンタの精度、層の厚さ、硬化速度、印刷速度などから来ています。さまざまなプリンタの制約が、設計中に次のように考慮される必要があります。

最小壁厚(サポートされているとサポートされていない):ジオメトリの壁の厚さは樹脂の分解能によって制限されます。 支持された壁は、他の壁に接続された端を有する。 厚さの限界を下回ると、そのような壁の壁は、はがれの間に反る可能性がある。 支持されていない壁は、はるかに剥がれやすいので、そのような場合には上限がある。
オーバーハング(サポートされていない最大の長さとサポートされていない最小の角度):オーバーハングは、部品に本質的にサポートされていないジオメトリフィーチャです。 これらは支持構造によって支持されなければならない。 構造が提供されていない場合、最大限の制限があります。 これは、自重下での曲げを減らすためです。 角度が小さすぎると、サポートされていない(投影された)長さが長くなります。 したがって、その最小限の制限。
最大ブリッジスパン:端部のみに支持される梁状構造のたるみを避けるために、そのような構造の最大スパン長は制限されなければならない。 これが不可能な場合はいつでも、補償のために幅を増やす必要があります。
最小垂直ピラー直径:これは、細長さがフィーチャが波状になる限界を超えないようにするためです。
溝とエンボス加工されたディテールの最小寸法:溝がインプリントされ、エンボスが部品表面の浅い隆起フィーチャーです。 制限より小さい寸法で印刷された機能は認識できません。
ジオメトリ間の最小クリアランス:パーツが溶けないようにするためです。
最小穴径および曲率半径:印刷寸法では実現できない小さな曲率は、閉じるかまたは滑らかになる/ヒューズすることがあります。
最小内部容積公称直径:小さすぎる容積が充填されることがあります。

サポート構造

次の場合、ポイントにサポートが必要です。

エッジの少ないサポートの終点です
オーバーハングの長さが臨界値を超える場合
これは、幾何学的中心のより少ない平面

印刷中、サポート構造は設計の一部として機能するため、設計時にその制約と利点が念頭に置かれます。 主な考慮事項は次のとおりです。

浅い角度の形状をサポート:浅い角度は、サポートが均一に提供されない限り、不適切な樹脂(構造強度の問題)を引き起こす可能性があります。 一般に、特定の角度(通常約45度)を超えて、表面は支持を必要としない。
オーバーハングベース:ティアリングを避けるためベースのセクションの厚さを増やします。 オーバーハングベースでの急な移行を避けてください。
エアーポケット関連:サポートがなければ、平坦な表面の印刷部品とジオメトリの穴が気泡を発生させる可能性があります。 部品が印刷されると、これらのエアポケットはモデルにボイドを発生させる可能性があります。 この場合、支持構造は、気泡が逃げる経路を作り出す。
構造の互換性:検討内部ボリューム面に対する互換性をサポートします。
フィーチャーオリエンテーション:オーバーハングが確実にサポートされるようにするためのオリエンテーション。

部分堆積方向
パーツの方向付けは、SLAプロセスのDFM分析における非常に重要な決定です。 構築時間、表面品質、支持構造の体積/数などはこれに依存する。 多くの場合、部品の向きを変更するだけで製造可能性の問題に対処することも可能です。 例えば、急な角度を確保するために、浅い角度を有するオーバーハング形状が指向されてもよい。 したがって、主な検討事項は次のとおりです。

サーフェスフィニッシュの改善:パーツをクリティカルサーフェス上のフィーチャが削除されるように配置します。 アルゴリズム的な観点から、自由曲面がさまざまな平面の組み合わせに分解され、それぞれに重みが計算/割り当てられます。 全体の表面仕上げを最適にするために、合計重量が最小限に抑えられています。
ビルド時間の短縮:ビルド時間の概算は、スライスを使用して行われます。 構築時間は、各スライスの表面積の合計に比例する。 (部品の高さに近似できる)
サポート構造の最適化:サポートされる領域は、方向ごとに異なります。 いくつかの向きでは、サポートエリアを減らすことができます。
容易な剥離:層の投影面積が徐々に変化するように再配向することにより、印刷中に硬化した層を容易に剥がすことができる。 オリエンテーションはまた、後の段階で支持構造を除去するのにも役立つ。

計画ベースのDFMに関する考慮事項
DFMにおける計画ベースの考慮事項は、プロセス計画に起因する基準を参照しています。 これらは、ルールベースの基準を満足する可能性のある部品の製造中の失敗を回避するために満たされるべきであるが、フィーチャが生成されるシーケンスのために製造上の困難が生じる可能性がある。

幾何学的仕立て
部品の非クリティカルな幾何学的特徴を修正して製造コストと時間を短縮し、生産部品の挙動を模倣する機能的プロトタイプを生成する。

ジオメトリックテーラリングは、上記の材料特性およびプロセス差の不一致を橋渡しします。 機能性と製造性の問題の両方が取り上げられています。 機能性の問題は、応力およびたわみ挙動の異常を補償するために部品の寸法を「調整する」ことによって対処されます。 製造上の問題は、製造が困難な幾何学的属性(ほとんどのDFMハンドブックで使用されている手法)の同定や製造プロセスのシミュレーションを通じて取り組まれています。 RPで製造された部品(SLAの場合)の場合、問題の配合は、材料プロセスの幾何学的調整(MPGT)/ RPと呼ばれます。 まず、設計者は次のような情報を指定します。部品のパラメトリックCADモデル。 ジオメトリ、コストおよび時間特性に関する制約および目標; これらの制約と目標の分析モデル。 目標の目標値。 目標の設定 設計者がこの情報をMPGTテンプレートに記入し、残りの「製造関連」情報を記入する製造業者に送信するときに、DFM問題が定式化される。 完成した配合で、製造業者は部品設計のGTを実行してDFM問題を解決することができます。 したがって、MPGTは、設計者と製造者との間のデジタルインターフェースとして機能する。 SLAプロセスにおける幾何学的調整のための様々なプロセス計画(PP)戦略が開発されている。

DFMフレームワーク
製造プロセスによって課せられた制約は、設計上にマッピングされる。 これは、検索方法として機能することによってプロセス計画を探索しながら、DFM問題の識別に役立ちます。 さまざまなDFMフレームワークが文献で開発されています。 これらのフレームワークは、以下のようなさまざまな意思決定のステップに役立ちます。

製品プロセス適合性:設計段階での製造上の問題を考慮し、SLAプロセスが正しい選択であるかどうかを把握します。 迅速な試作は様々な方法で行うことができます。 通常の問題は、プロセスコストと可用性です。 このDFMフレームワークを使用することにより、設計者はSLAプロセスでのコンポーネント製造性を容易にするために必要な設計変更を行うことができます。 したがって、このフレームワークは、製品が製造計画に適していることを保証する。

フィーチャー認識:これは、商用CAD / CAMソフトウェアの統合プロセス計画タスクによって実行されます。 これには、仮想製造環境で発生する可能性のある問題点を把握するための製造プロセスのシミュレーションが含まれる場合があります。 このような統合されたツールは開発段階にあります。

機能の考慮事項:場合によっては、部品を個別に印刷して組み立てる代わりに、アセンブリを直接印刷します。 そのような場合、樹脂の流れのような現象は、規則に基づく分析だけでは対処できない可能性がある機能性に著しく影響を及ぼし得る。 実際、ルールベースの分析は設計の境界を確実にするだけですが、最終的な部品の寸法は計画ベースの考察を通じて製造可能性をチェックする必要があります。 この10年以来、これまでかなりの研究が行われてきました。 DFMフレームワークが開発され、パッケージ化されています。