金屬3D列印機的模具鋼應力消除技術
■Sodick / 岡﨑秀二 & 新家一朗 & 松本格
引言
隨3D列印技術普及，大家已知道異形水路的模具有 大幅縮短成型時間和改善變形量等優點。但3D列印 同時也存在因殘留應力導致的產品開裂和變形的問 題。鋼材在高溫下快速冷卻後會由奧氏體轉變為馬氏 體。而馬氏體相變會出現體積膨脹的現象。利用此膨 脹現象是否可以抵消列印時熔融凝固過程中因為收 縮而產生的拉伸應力，從而達到抑制殘留應力的目的 呢？本文中，我們對塑膠模具的主要材料馬氏體不銹 鋼SUS420J2粉末進行粉床式3D列印實驗，結果證 實可以製造不開裂且變形極小的高精度造形物。
SUS420J2造形物的開裂與變形
圖1是粉床式金屬3D列印的造形物開裂/變形的照 片。其中(a)在造形過程中開裂，用EDW切開後可 以看出，裂紋從應力集中的凹槽開始延伸；(b)在造 形結束後，放置在室溫環境中1周後發生開裂；而(c) 則是尺寸 230mmx150mm，厚 12.5mm 的 S50C 底板在造形25mm高度後發生的2.2mm翹曲。由此，我 們可以發現粉床式金屬3D列印機在造形中、造形後， 以及二次加工時都會發生開裂和變形，當X / Y尺寸 越大、形狀越複雜，開裂和變形的概率就越高。
殘留應力產生過程的考察
以下是粉床式金屬3D列印機的造形過程（圖2）， 大致可分為４個步驟： STEP1：對安裝在桌面的底板提供粉末。 STEP2：激光照射金屬粉末中的所需部分，溫度升高 到熔點以上並熔化。 STEP3：熔融的金屬粉末主要被下面的基座（底板或 者之前的燒結層）奪取熱量，降溫至熔點附 近時變成固體。 STEP4：溫度持續下降到基座溫度。溫差會導致收縮， 但是造形物因為與下面基座緊密熔接而無法 收縮，因此，該尺寸差作為拉伸應力殘留在造形部。
嚴格來說，實際情形比上述更加複雜，但是從根本上 來說，金屬的基本特性「隨溫度降低而引起體積收縮」 是殘留應力產生的主要原因，也是引起開裂並使底板 大幅彎曲的原因。
殘留應力釋放技術的考察
圖3是馬氏體相變的圖示，由於馬氏體相變具有遲滯 性，因此可以把在點①造形時產生的收縮，通過冷卻 至點②時產生的膨脹來均衡，從而釋放拉伸應力。當 在馬氏體相變進行的溫度（Mf點以上）以上的點①
進行造形時，在基座上的造形物因為無法收縮而產生 拉伸應力，在此狀態下降低溫度，使其通過馬氏體相 變的膨脹區域。此時，底座的收縮和造形物膨脹在點 ②處平衡。接著，當溫度升高時，底座和造形物均根 據熱膨脹係數膨脹。之後，在某個合適的恒定溫度① 點再次進行造形。通過重複以上步驟，便有可能在緩 和拉伸應力的同時進行造形。
造形實驗結果
圖4中所顯示的是造形實驗之結果，(a)是開裂的實 驗，在常溫造形中，寬度為20mm，高度為50mm 的造形物下部創建的應力集中部位發生了開裂。而使 用了應力釋放技術的造形，即使是寬度240mm，高 度100mm也沒有出現裂紋。
(b)和(c)則是迄今無法實現的電動工具的混合造形結 果，(b)是以每1 mm為間距進行冷卻，冷卻後通過切 削做精加工的混合造形。尺寸為248mm x 248mm， 因要在機器內精加工故邊緣部應力易於集中，但造形 後也沒有開裂。而(c)則是以5mm為冷卻間距的相同 形狀之單純造形，其也沒有出現開裂。
總結
在本研究中，考察了利用馬氏體相變來釋放金屬3D 列印時產生的殘留應力之方法，所得結果如下： • 馬氏體系SUS420J2粉末，通過馬氏體相變的膨脹 可以有效地消除造形時產生的拉伸應力。 • 使用本方法可以製作SUS420J2金屬粉末以前無法 達到的形狀/尺寸。■
本文作者岡﨑秀二為ＤＤＭ事業部事業部長；新家一 朗為ＤＤＭ事業部副事業部長；松本格為ＡＥ本部的 ＤＤＭ・ＭＣ加工技術部課長。
參考文獻
Ichiro Araie, et al., Study on Residual Stress Relief Technology Using Phase Transformation in Metal Additive Manufacturing -Demonstration of Stress Inhibiting Effect by Transformation Amount Control-,JSPE, 86,2,(2020)177.
