序論：後処理の重要性
金属SLM造形品は急速凝固の特性により、残留応力が大きい、表面粗さが大きい、組織が不均一であるといった問題を抱える。後処理工程は、これらの欠陥を除去し、最終性能要求を満たすための重要な工程である。統計によれば、金属SLM造形品の後処理コストは総コストの30～50%を占め、後処理品質は製品の性能と寿命に直接影響する。
一、残留応力と変形
1.1 残留応力の発生源
- 温度勾配：溶融池の急速冷却によって温度勾配が生じ、熱応力が発生する
- 相変態応力：凝固過程での相変態により相変態応力が発生する
- 拘束応力：基板による拘束および部品の幾何学的拘束によって生じる応力
1.2 応力分布の特徴
表面は圧縮応力であり疲労性能に有利だが、内部は引張応力であり割れを引き起こす可能性がある。鋭い角部や薄肉構造では応力集中が著しい。
二、応力除去熱処理
2.1 応力除去焼なまし
ステンレス鋼316L：450～550℃×2～4h、炉冷。チタン合金Ti6Al4V：600～650℃×2～4h、炉冷。アルミニウム合金AlSi10Mg：250～300℃×2～3h、炉冷。工具鋼H13：550～650℃×3～5h、炉冷。インコネル718：720～750℃×4～6h、炉冷。
2.2 設備要件
真空炉は真空度10⁻² Pa未満で、チタン合金や高温合金に適する。アルゴン保護炉は酸素含有量10ppm未満。窒素保護炉はステンレス鋼、工具鋼に適する。温度均一性は±5℃。
三、支持材の除去
3.1 機械的除去
手仕上げは単純な構造に適し、機械加工は効率が高く精度も良い。ワイヤ放電加工は複雑な構造に適し高精度、研削は硬質材料に適する。
3.2 電気化学的除去
原理は電気化学溶解で、内部空洞の支持材に適する。電解液は塩溶液または酸溶液で、電流密度は10～50 A/cm²。利点は到達性が良いこと、欠点は速度が遅く、後洗浄が必要なこと。
四、熱処理による強化
4.1 固溶・時効処理
チタン合金Ti6Al4V：固溶900～950℃、時効540～600℃。インコネル718：固溶950～980℃、時効720℃＋620℃。工具鋼H13：固溶1020～1050℃、時効550～600℃、硬度は50HRCに達する。
4.2 熱間等方圧加圧（HIP）
温度は材料に応じて決定し、圧力は100～200MPa、時間は2～4時間。効果：緻密度>99.9%、疲労性能が30～50%向上する。
五、表面処理
5.1 表面粗さ
造形ままの側面Ra 5～15μm、造形ままの上面/下面Ra 15～40μm、ブラスト後Ra 3～6μm、研磨後Ra 0.2～1.0μm、機械加工後Ra 0.8～3.2μm。
5.2 ショットピーニング強化
目的は表面に圧縮応力を導入して疲労性能を向上させることであり、媒体はスチールショットまたはガラスビーズ、強度は通常0.2～0.6mmA、被覆率>100%、効果は疲労寿命が30～100%向上する。
六、実際の応用事例
航空エンジンブレード（インコネル718）：ワイヤ放電加工で分離→応力除去750℃×4h→HIP 1180℃/150MPa/4h→固溶・時効→機械加工→電気化学研磨→蛍光探傷。医療インプラント（チタン合金Ti6Al4V）：機械的に支持材を除去→ブラスト→酸洗・不動態化→応力除去焼なまし→HIP→最終研磨→洗浄・包装。金型部品（工具鋼H13）：機械加工で支持材を除去→応力除去焼なまし→焼入れ＋焼戻し→重要面の機械加工→研磨→窒化処理。
結論
金属SLM造形品の後処理は、最終性能を保証するための重要な工程である。適切な応力除去、熱処理強化および表面処理により、部品の機械的性能と使用寿命を大幅に向上させることができる。