ビルド プラットフォームから取り出したばかりのナイロン SLS 3D プリント パーツを手に取ったことがある人なら、ベース製品が生々しいテクスチャー仕上げで、あらゆる隙間に固着したルース パウダーと、生地に引っかかったり皮膚を引っ掻いたりする可能性がある鋭いエッジがあることをご存知でしょう。ナイロン SLS 3D プリント部品サプライヤーとして、私は過去 5 年間、未研磨のビルドピースをロボットから医療機器に至るまでの業界向けの機能的で高性能な部品に変える後処理ワークフローの改良に費やしてきました。適切な後処理は、美しさを向上させるだけでなく、ナイロン本来の強度、柔軟性、耐久性を増幅させ、機能するプロトタイプと長年の摩耗に耐える最終用途の部品との違いを生み出します。この投稿では、最も信頼性が高く業界でテストされたナイロン SLS パーツの後処理方法を詳しく説明し、これらの技術をどのように適用するかの実例を共有し、特定のプロジェクトに適切なワークフローを選択する方法の概要を説明します。
まず、ナイロン SLS パーツの特徴を理解することが重要です。選択的レーザー焼結 (SLS) は、高出力レーザーを使用してナイロン粉末を層ごとに溶融するため、自然な支持構造として機能する未焼結粉末の層内で部品が構築されます。これは、印刷中に追加のサポート材が必要ないことを意味します。これは、当社が前四半期に製造したヒューマノイドおよび器用ロボット用のカスタム ロボット ハンド ハウジングにある独自の内部チャネルなど、複雑な形状にとって大きな利点となります。このような利点があるとしても、部品の可能性を最大限に引き出すためには後処理は交渉の余地がありません。プロセスは粉の除去から始まります。これは、ほとんどのサプライヤーが正しく行う基本的なステップですが、その後の作業の成否を分ける可能性があります。
粉末化は最初の重要なステップであり、ここでは万能のアプローチはありません。内部空洞が狭い小型の複雑な部品 (ギアや電気コネクタなど) の場合は、低圧の乾燥空気システムによる圧縮空気ブラストを使用します。高圧空気は、印刷直後は多孔質である薄い SLS ナイロン壁に損傷を与える可能性があるため、空気を 20 ～ 30 PSI に調整し、隠れた隙間に届く特注の機械加工ノズルを通して空気を送ります。大型部品や中型部品のバッチの場合は、遠心脱粉タンブラーがさらに効果的です。部品と再利用可能なナイロンメディアを回転ドラムにロードし、回転動作による摩擦により部品の表面を傷つけることなくゆるい粉末を取り除きます。建築プロトタイピング用の 3D プリント モデル パーツなど、非常に複雑なアセンブリの場合は、エア ブラストと硬いナイロン ブラシを使用した手動ブラッシングを組み合わせて、タンブラーでは届かない小さな隙間から粉末を取り除きます。ここでの目標は単なる見た目の美しさだけではありません。閉じ込められた粉末により、組み立て中に部品が詰まったり、合わせ面を摩耗させたりする可能性があるため、すべてのキャビティを確実にきれいにするために、このステップには必要なだけ時間がかかります。
部品の粉末が完全に除去されたら、次のステップは表面仕上げです。ここで外観と性能が最大に向上します。ナイロンの自然な多孔質の質感 (SLS 焼結プロセスの副産物) は、湿気や化学物質への耐性、または滑らかな工業用仕上げが必要な部品にとっては欠点となる可能性があります。ナイロン SLS 部品の最も一般的な表面仕上げ方法はベーパー スムージングであり、これは当社のクライアントにとって大きな変革をもたらしました。蒸気平滑化は、ナイロン部分をジクロロメタンやエタノールなどの溶剤の蒸気にさらすことによって機能します。これにより、ナイロンの外層がわずかに溶け、表面の細孔が埋められ、SLS 印刷に特有の層の線が融合されます。過度の平滑化を避けるために、暴露時間と温度を制御します。過剰な処理は、特に薄肉のコンポーネントの場合、部品の表面のディテールを失ったり、さらには歪みを引き起こす可能性があります。たとえば、完全に密閉して簡単に消毒する必要がある医療用ハウジングのバッチを製造したとき、10 分間の蒸気平滑化サイクルを使用して表面粗さを Ra 12 (生の SLS) から Ra 2 に低減し、ISO 10993 生体適合性テストに合格した滑らかで非多孔質の仕上げを作成しました。医療部品に関して言えば、この方法は、高レベルの清浄度と一貫性が必要な医療部品の SLA 3D プリントにも広く使用されていますが、プラスチックの種類ごとに溶媒の混合が若干調整されています。
光沢のある仕上げではなく、マットでわずかに質感のある仕上げを必要とするお客様には、機械研磨がより良い選択肢となります。私たちの施設では主に 2 つの機械研磨方法を使用しています。まず、振動研磨です。セラミックメディアとマイルドな研磨剤を入れた浴槽に部品を入れ、4 ～ 8 時間高速で振動させます。これは、手作業を必要とせずに均一な仕上がりを生み出すため、ファスナーやスペーサーなどの小さな同一部品のバッチに最適です。カスタム ロボット アーム コンポーネントのような大型の 1 回限りの部品の場合は、綿ホイールとナイロンベースの研磨ペーストを使用した手動バフ研磨を使用します。手動バフ研磨では、用途によっては滑らかすぎるギアの鋭利なエッジや、完全に平らにする必要がある平らな取り付け面など、特定の領域をターゲットにして、他の領域に微妙な滑り止めの質感を残すことができます。機械研磨の欠点は、微量の材料が除去される可能性があることです。そのため、正確な寸法を維持する必要がある部品に応じて印刷公差を調整します。
見落とされがちなもう 1 つの後処理ステップはアニーリングです。アニーリングは、SLS 印刷中に蓄積する内部応力を軽減することでナイロンの機械的特性を向上させます。 SLS 部品は焼結後に急速に冷えるため、特に高温や繰り返しの負荷にさらされる部品の場合、時間の経過とともに反り、亀裂、またはパフォーマンスの不安定を引き起こす可能性のある小さな内部応力が残ります。アニーリングは、部品をナイロンの融点 (最も一般的な SLS ナイロンである標準 PA12 の場合は約 170°C) よりも低い温度まで加熱し、その温度で 2 ～ 4 時間保持した後、温度制御されたオーブンでゆっくりと冷却することによって行われます。これを産業用機器の部品でテストしたところ、アニーリングによりナイロン SLS 部品の引張強度が最大 15% 向上し、破損することなく高い負荷に耐えられるようになりました。たとえば、高負荷のロボット アクチュエータ用のハウジングを必要としているクライアントは、もともと 10,000 回の負荷サイクル後に亀裂が入った部品を持っていました。アニーリング後、同じ部品は 50,000 サイクルを経ても損傷はありませんでした。アニーリングは、材料の温度変動や紫外線への耐性を高めるため、屋外で使用される部品にも重要です。
さらなる耐久性、耐薬品性、着色仕上げが必要な部品については、最終段階でコーティングと塗装を施します。ナイロンは半結晶性ポリマーであるため、表面処理を行わないと標準的な塗料やコーティングにはうまく接着しません。当社では、コーティング前に必ず部品を研磨し、イソプロピル アルコールで洗浄して、接着を妨げる残留汚染物質を除去します。当社が使用する最も一般的なコーティングは粉体コーティングであり、静電的に塗布され、オーブンで硬化されます。粉体塗装は、傷、化学物質、湿気に強い、厚く耐久性のある仕上げを実現し、屋外部品や産業機器のハウジングに最適です。より軽量で柔軟なコーティングを必要とするお客様のために、ナイロンの特徴的な柔軟性を損なうことなく薄い保護層を追加する、透明または着色されたポリウレタン コーティングを使用します。また、印刷中に粉末に顔料を添加することで、着色されたナイロン SLS パーツを実験しましたが、ポストコーティングにより、お客様は正確な色の一致をより詳細に制御できるほか、屋外用途向けにコーティングに UV 抑制剤を追加するオプションも提供されます。
ここで、特定のプロジェクトに適切な後処理方法を選択する方法について説明しましょう。1 つのサイズがすべてに適合するわけではないからです。見本市用に見栄えを良くするだけのプロトタイプを作成している場合は、蒸気平滑化または振動研磨を使用すると、数時間でショールームで使用できる仕上げが得られます。重い負荷に耐える必要がある最終用途の部品を作成している場合、焼きなましは交渉の余地のないものであり、耐久性を高めるために機械研磨または粉体塗装と組み合わせることをお勧めします。医療部品の場合、粉末の除去は特に重要であり、内部の空洞に残留粉末が残らないようにするために、蒸留水での二次超音波洗浄ステップを追加することがよくあります。
また、後処理によりリード タイムが増加することにも注意してください。そのため、プロジェクトのタイムラインを計画するときは、部品の複雑さに応じて、これらのステップに 1 ～ 3 日追加する必要があります。未処理の SLS パーツの印刷には約 1 ～ 2 日かかりますが、方法によっては後処理でさらに 1 ～ 5 日かかる場合があります。私たちは常にこのスケジュールを事前にクライアントに明確に伝えているため、驚くようなことはありません。
サプライヤーとして、私たちはクライアントの特定のニーズに耳を傾けることが重要であることも学びました。数年前、スタートアップ企業が、12 個の小さな内部チャネルと滑らかな外殻を含む複雑な形状を備えた、人型ロボットや器用なロボット用のカスタム ロボット ハンド ハウジングを携えて当社にやって来ました。壊れることなく物体を掴むのに十分な強度を持ちながら、ロボットの重量を軽く保つために十分に軽い部品が必要でした。また、センサー統合のために空気が流れることができるように、内部チャネルに粉が完全に付着していない必要がありました。遠心脱粉を組み合わせて粉の大部分を取り除き、その後、細いノズルで圧縮空気を噴射して内部チャネルを除去し、次にアニーリングして内部応力を軽減し、最後に薄いポリウレタン コーティングで表面をシールしました。この部品は最初のプロトタイプでは完璧に機能し、それ以来さらに 50 個のユニットを注文しました。
もちろん、私たちの施設ではナイロン部品だけを製造しているわけではありません。当社では、3D プリント サービス ABS プラスチック ラピッド プロトタイプのリンクからわかるように、耐衝撃性が最優先される場合のラピッド プロトタイプ用の ABS プラスチックなど、幅広い材料を使用しています。金属部品については、産業用途向けの高品質 3D プリント金属部品 SLA アルミニウム ステンレス スチールを提供しています。また、医療機器については、厳しい規制基準を満たす医療部品用 SLA 3D プリントの長年の経験があります。当社のすべての部品は、材質に関係なく、お客様の仕様を正確に満たすことを保証するために厳格な後処理を受けています。
ナイロン SLS パーツを使用するプロジェクトに取り組んでいる場合、適切な後処理ワークフローにより、良好なパーツを優れたパーツに変えることができます。私たちの施設では、一般的な後処理手順に従うだけではなく、すべてのワークフローをクライアントのニーズに合わせて調整し、サンプルをテストし、タイムラインを調整し、各ステップで品質をチェックして、最終部品がまさにクライアントが必要とするものであることを確認します。プロトタイプ、カスタムロボットコンポーネント、医療機器のいずれを製造する場合でも、当社は設計から最終部品に至るプロセス全体をガイドする専門知識を持っています。
ナイロン SLS パーツの後処理についてご質問がある場合、または次のプロジェクトの見積もりをリクエストしたい場合は、お客様のニーズに合ったワークフローの開発を喜んでお手伝いいたします。今すぐ私たちのチームに連絡して会話を始めてください。
参考文献:
- I. ギブソン、DW ローゼン、B. スタッカー (2015)。積層造形テクノロジー: 3D プリンティング、ラピッド プロトタイピング、およびダイレクト デジタル マニュファクチャリング。スプリンガー。
- アン・D. (2015)。 「選択的なレーザー焼結部品の脱粉末と仕上げ」。製造プロセスジャーナル、vol. 20、492-500ページ。
- ISO 10993-5:2009、医療機器の生物学的評価 – パート 5: in vitro 細胞毒性試験。
- ディン、J.、他。 （2020年）。 「選択的レーザー焼結によって製造されたナイロン 12 部品の機械的特性に対するアニーリングの影響」マテリアル＆デザイン、vol. 192、p. 108765。
