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印刷するか、カットするか、それとも両方の長所を利用するか?

Jul 26, 2023Jul 26, 2023

Manufacturing Engineering では、2017 年 7 月にアディティブ加工とサブトラクティブ加工を組み合わせるメリットとデメリットを最後に詳しく説明しました。基本的な動機は同じです。どのアディティブ アプローチを使用しても、満足のいく部品を製造するには、ほぼ常に後続の機械加工が必要です。 また、後処理に別のフライス盤または旋盤を使用する方が合理的である状況が依然として存在しますが、ハイブリッド機械は複数の機械よりもコストが低く、必要なスペースが少なく、必要なプログラミングが少なく、取り扱いと仕掛品が削減されます。 さらに、ハイブリッドにより、内部の機能を構築しながら検査および加工することができます。 しかし、私たちはこのすべてを 3 年前に知っていました。 何が変わったのでしょうか?

ハイブリッドにおける画期的な進歩の 1 つは、材料を組み合わせて、特殊な合金や移行ゾーンを作成できることです。 たとえば、イリノイ州ホフマン エステーツにある DMG 森 USA の LASERTEC シリーズ マシンには、ビルド全体にわたって 2 つの異なる材料を堆積させ、流量を正確に計測できるツイン パウダー フィーダーが装備されています。 同社の積層造形部門の販売およびサービスのマネージャー、ニルス・ニーマイヤー氏は次のように説明しています。「傾斜機能材料はしばらくの間学界で議論されてきましたが、私たちはそれを商品化しました。たとえば、ある分野では 100% 工具鋼を使用するかもしれません」より高い硬度の領域が必要な場合は、高速度鋼を混ぜ合わせます。層ごとに、プロセスはその材料から別の材料に移行し、おそらく 100% の高速度鋼が得られます。工具鋼0パーセント。」 以前は、各層のフィードを変更するには、オペレーターが粉末フィーダーの NC コードを手動で記述する必要があったと彼は付け加えました。 しかし、DMG 森とシーメンスは提携して、ユーザーがシームレスな遷移曲線をプログラムできる機能をシーメンス NX ソフトウェアに追加しました。

ニーマイヤーは、材料間の移行を制御する能力に別の利点を提供しました。部品をハードフェーシングする従来の方法では、硬い材料と柔らかい材料の間の領域に応力上昇が生じます。 「しかし今では、簡単にグレーディングできる機能があるため、1 つまたは 2 つの層の移行を作成して、柔らかい材料から硬い材料にスムーズに移行することができます。突然、ストレスの上昇を軽減することができます。」

同氏は、これは依然として破壊的技術であるため、傾斜材料(磁気挙動における傾斜を含む)の使用例はまだ調査中であることを認めた。 実際の成功事例の 1 つは、あるローラー ベアリング メーカーが DMG 森と協力して、さまざまな硬度のベアリング ケージを製造したことです。 具体的には、ケージはベアリングが移動するラインに沿って非常に高い剛性と硬度を備えていますが、側面では剛性が低く、より延性の高い素材とブレンドされ、衝撃をよりよく吸収します。

2017 年と同様に、ハイブリッド マシンは既存の部品の修理や改造を正当化するのが最も簡単です。 しかし、当時はタービンブレードの修理事業が最も重要な市場であるように見えたが、ニーマイヤー氏は、現在は金型と工具の製造がはるかに大きな可能性を秘めていると述べた。 一つには、タービンブレードの形状がより単純であり、「それらを修復するための非常に特殊なニッチな用途がある」と同氏は述べた。 工具や金型には幾何学的なばらつきが大きく、「特殊なプロセスはありません。業界は手作業で修復しており、溶接の品質は一定していません。」

たとえば、ミズーリ州トロイの Bodine Aluminium は、LASERTEC 65 3D ハイブリッドを使用してアルミニウム ダイカスト金型を修理し、手動プロセスと比較して修理した金型の寿命を 3 倍にし、新しい工具の寿命と同等にしました。 さらに、これらの修復は従来の方法よりも速く、通常は最初から正しく行われます。 オーストリア、インスブルックの Friedrich Deutsch Metallwerk GmbH でのアルミニウム ダイカスト金型の修理プロセスには、2 時間の予熱、8 時間の手溶接、2 時間の冷却、および 30 分のフライス加工が含まれていました。 4 つのプロセス ステップは 2 日間かかりました。 LASERTEC 65 3D での修復には 1 回のセットアップが必要で、プログラミングに 1 時間、レーザー蒸着と加工に 2 時間かかるため、時間を 80% 節約できます。

テキサス州マッキーニーにあるハイブリッド・マニュファクチャリング・テクノロジーズの共同創設者兼最高経営責任者(CEO)であるジェイソン・ジョーンズ博士は、金型と金型の修理が今や大きなビジネスになっているというニーマイヤー氏の評価に同調した。 2017 年、ME は、粉末床溶融 (PBF) 技術は、PBF の部品密度が高いため、金型用途では指向性エネルギー蒸着 (DED) よりも優れていると報告しました。 しかし、ニーマイヤーも、

ジョーンズ氏は、同社の DED システムは必要な部品密度 99% 以上を達成していると述べました (材料とパラメータに応じて)。 ジョーンズ氏は、個別の材料を混合する能力は粉末供給 DED プロセスに固有のものであり、2 つに限定する必要はない、と付け加え、「ノズルを通って流れる粉末をその場で変えることができるため、任意の数の材料を使用できること、および任意の機械セットアップには 2、3、4、またはそれ以上の粉末供給を含めることができます。

ハイブリッドでは CNC マシンは構築されません。 標準的な工作機械スピンドルに適合する、交換可能な DED ヘッド (AMBIT ブランド) を取り揃えています。 同社は、自社の機械に AM 機能を追加したいエンド ユーザーと、その機能を提供したい工作機械 OEM と提携しています。 後者のカテゴリーは、ここ数年でハース オートメーション、マザック、ハーコ、スギノ、ジョージ フィッシャー、ELB、ROMI を含む 10 社に成長しました。

2017 年以降のもう 1 つの変更は、可能なビーズ サイズの範囲が拡大したことです。 現在、AMBIT ヘッドの厚さは 0.5 から 6 mm (約 0.02 から 0.24 インチ) になり、ジョーンズ氏は、造形体積が幅の変化の 2 乗で増加すると指摘しました。

場合によっては、材料を混合して調整できるため、ハイブリッド マシンは新しい部品の作成にも適切なソリューションになります。 たとえば、ジョーンズ氏は、一部の顧客は「金型を修理するだけではなく、新品よりも優れた金型を作りたいと考えている。彼らは単一の材料で金型を作ることに慣れており、今では複数の材料を使用できるようになっている」と述べた。

ジョーンズ氏は、金型製造業者がこの技術を使用して、「パーティングラインやその他の磨耗領域などの複雑なエッジに沿って硬化面を追加する例を数多く見てきた」と語った。そして、高性能材料がそれらの領域に局所的に適用される場合、それはしばしば2倍または3倍になる可能性があると述べた金型の寿命です。」

ニーマイヤー氏は、顧客が青銅のコアの上に工具鋼を使用してダイカスト金型を構築するケーススタディを指摘しました。 コアの熱伝導率が向上することで、金型の寿命を損なうことなく金型の冷却性能が約 20% 向上し、スループットが向上します。

ニーマイヤー氏は、宇宙産業も材料費の高騰などからハイブリッド機への関心が高まっていると述べた。 「インコネルを例に挙げます。機械加工が難しいため、ビレットから大量の材料を機械加工する代わりに、ニアネットシェイプを作成し、必要な部分の表面のみを仕上げることができます。」 宇宙船に使用される銅合金も良い例で、銅の上にインコネルを被覆したロケットノズルなど、銅合金はインコネルと組み合わされることもあると同氏は付け加えた。

「これらのロケット ノズルの納期は 9 か月かかる場合があります」とニーマイヤー氏は説明しました。 「4 週間以内に突然ノズルを構築できるようになれば、[エンジニア] はそのロケット ノズルの設計を改善することができます。その結果、ノズルの生産性と効率が向上します。機械加工ではコストの削減は見られませんが、しかし、部品の効率が向上し、最終的にはライフサイクルにおけるコスト削減につながります。」 ニーマイヤー氏は、ハイブリッドマシンが賢明な投資であるかどうかを判断する際には、サプライチェーン全体を考慮する必要があると主張する。 「機械のコストを切り分けるだけでは十分ではありません。エンドツーエンドで検討し、部品の輸入にかかる長いリードタイムなどを考慮する必要があります。」

Hybrid Manufacturing の最新製品に加えて、ポリマーおよびポリマー複合材料の印刷も可能です。 ジョーンズ氏が述べているように、すべての付加プロセスでは、体積堆積速度と実際のモデルに対する表面の忠実性の間で基本的な選択を行う必要があり、ハイブリッド マシンはこの問題を解決するように設計されています。 しかし、AM のプラスチック側には、「デスクトップ型の機械から、文字通り車を印刷できるポリマー押出用のルームスケールの機械」まで、あらゆるものが揃っていましたが、効率的なハイブリッド ソリューションはありませんでした。 ジョーンズ氏のチームは、「一般的なポリマー押出機よりも 200 倍から 2,000 倍の速さで成膜するヘッドおよび制御ソリューションを作成しました。これは、現在デスクトップ マシン上にあるものを、CNC マシンのスピンドルまたはロボットに適合するようにスケールアップします。」 これは、メートルスケールの部品を迅速に印刷し、従来の機械加工で表面仕上げを行うことを意味します。

重要な用途の 1 つは、金属部品の周囲または内部に治具や固定具を作成することです。 「高くて薄い、びびったり振動しやすい部品を加工していると仮定してください」とジョーンズ氏は言います。 「通常、それは丈夫で強く、硬いもので固定されており、カッターがそこにぶつかる心配があります。代わりに、部品の周囲にポリマーを印刷して振動を軽減し、カッターがぶつかる心配をする必要はありません。私たちが削り取ろうとしている犠牲的な部品です。」 ジョーンズ氏は、タービンブレードとブリスクはこのアプローチに最適だと付け加えた。

より大きな部品を製造するオプションは、ハイブリッド マシンの世界に対するもう 1 つの最近の変化です。 DMG 森の新しい LASERTEC 125 3D ハイブリッドは、造形体積が 49 × 29 インチ (1,244 × 737 mm) で、最大テーブル荷重は 4,409 ポンド (2,000 kg) で、LASERTEC 6600 3D ハイブリッド ミル/ターンは最大 41 インチの部品を処理します。直径は 1,050 mm、中心間は最大 19.7 フィート (6 m) です。

ハイブリッド マニュファクチャリングは、欧州連合 (EU) のオープン ハイブリッド プロジェクトに参加し、ドイツのガントリー メーカー Güdel と提携して、ジョーンズ氏が「ルームスケールの機械」と表現するものを作成しました。私たちは直径数メートルのウィア ポンプ コンポーネントの鋳物に取り組みました。

ハイブリッド社は、通常の粉末供給システムとは対照的に、この事業のためにワイヤー供給堆積システムも開発しました。 ジョーンズ氏は、ワイヤーは粉末原料よりもコストが安く、安全であるため、特に大型の機械フォーマットでは望ましいと述べた。 「ワイヤーを使えば、粉体を吸い込む心配がなく、チタンやアルミニウムなどの反応性物質による爆発の可能性もありません」と同氏は言う。

十分な大きさではありませんか? ポルトガルのポルト・サルボにある欧州溶接・接合・切断連盟 (EWF) の担当者に話を聞いてください。 彼らは、EU の 3 年間 400 万ユーロ (450 万ドル) の大型加算減算モジュラー マシン (LASIMM) プロジェクトを主導しました。 2019 年に完成し、現在商品化されている LASIMM は、工作機械メーカー、学術機関、エンドユーザーの努力を結集して、ほぼ無限のサイズの機械コンセプトを作成しました。

工学博士として EWFの副所長であるエウリコ・アスンサン氏は、AM部分はクランフィールド大学が開発した独自のワイヤ・アンド・アーク添加剤(WAAM)DED法に依存しており、1時間当たり最大8.8ポンド(4kg)の金属の堆積速度が可能だと説明した。 「これは、MIG/MAG プロセスである冷間金属転写です」と Assunção 氏は付け加えました。 「しかし、アプリケーションによっては、プラズマプロセスも提供できます。」 この取り組みでは、ビルド全体に局所的なシールドを提供して、チタンなどの反応性材料の堆積を可能にする能力も検証されました。 利用可能な金属のリストは、さまざまな鋼からインコネル、アルミニウム、チタン、タングステン、モリブデン、青銅、銅などにまで及びます。

減算機能は LOXIN Tricept モジュールによって処理されます。 現在、Aritex グループの一員である LOXIN は、これをパラレルキネマティクスマシン (PKM) と呼んでいます。これは、中央のスライドチューブの端に接続された 3 つの平行移動アクチュエータの三脚に基づいているためです。 回転ヘッドと末端のリストにより、ユニットは最大 5 軸補間が可能になります。 「Tricept モジュールは、極度のダイナミクス、高い剛性、非常に長い到達距離を兼ね備えています。実際、金属の微細構造を精製するための高圧冷間圧延とピーニングを可能にするのに十分な剛性を備えています」と Assunção 氏は述べています。 また、Tricept ユニットは交換可能なヘッドを使用して、加工と WAAM またはプラズマ溶接 AM を切り替えることができます。

EWF のプロジェクト マネージャーである David Barbosa 氏は、「PKM のリーチが長いため、加算加工と減算加工に別個のロボットを配置するのに必要なスペースが確保できます。また、PKM の多くの自由度により、適切な剛性と精度でさまざまなポイントに到達することが可能になります」と付け加えました。減算加工用。」

LOXIN で構築された LASIMM デモ機には、一組のレール上に 2 台の巨大な多関節ファナック ロボット (すべて Global Robots が設計)、走行コラム (ロボット レールと平行) に 1 台の PKM Tricept ユニット、および 2 つのコラムと 1 つの部品から成る回転装置が組み込まれています。ロボットと PKM の間に位置する同期ドライブ。 ロボットにはそれぞれ WAAM ヘッドが装備されており、PKM は前述のように構成されています。

ただし、これは可能な構成の 1 つにすぎません。 LASIMM チームは、数セットの部品回転装置を備えたさらに長い組立ライン、2 セットのレール上に 8 台以上のロボット、さらにラインを下降するオーバーヘッド ガントリー上の PKM ユニットを備えた巨大システムを想定しています。 「このプロジェクトは、1 つのマシン アーキテクチャがすべてのニーズに適合するわけではないことを教えてくれました」と Assunção 氏は述べています。 「このマシンはモジュール式なので、ロボットや機能を追加したり削除したりできます。LOXIN はこれらの統合システムを専門としているため、カスタマイズされたソリューションを構築する準備ができています。」

Barbosa 氏は、EWF と Autodesk が 1 つのユーザー インターフェイスから加算機能と減算機能を操作するソフトウェアを開発したと述べました。 「ソフトウェアには機械のデジタルモデルが含まれています。コンピューター上で部品をセットアップすると、ポストプロセッサーが機械を制御するためのファイルを作成します。基本的には、PowerMill に LASIMM を加えたものです。」と彼は言いました。

LASIMM のビジネスケースは何ですか? Assunção 氏は、それは部品の形状に依存すると述べました。 また、小型の機械と同様に、重要な正当化の 1 つは、部品の構築中にフィーチャーを機械加工する必要があるかどうかです。 もう 1 つは部品の量とスループットです。 バルボサ氏は、「BAE システムズは、コンソーシアムのエンド ユーザーの 1 つでした。彼らは、大きな翼桁などを含む自社製品の製造時間とコストを削減したいと考えており、必要に応じてカスタマイズされた部品をオンデマンドで製造できる機能を求めていました」と述べました。特定のアプリケーションにはハイブリッドが最適なアプローチです。」

ハイブリッド加工プロバイダーは、部品の品質を監視および維持する能力も向上しました。 ニーマイヤー氏は、DMG森の機械にはノズルと部品の間の距離を追跡し、調整が必要な場合にオペレーターに警告するセンサーが組み込まれていると述べた。 内蔵アルゴリズムにより、潜在的なノズル付着も検出されます。 粉末供給は自動化されており、一定の流れを確保するために監視されています。 機械は、周囲温度に加えて、機械内の部品、作業テーブル、スピンドル、機器の温度を監視します。 「私たちは過去 7 年間に学んだことを取り入れ、それをソフトウェアとセンサー キットに組み込みました」と彼は言いました。

ハイブリッド マニュファクチャリングのジョーンズ氏は、さらに一歩進んで、ハイブリッド機械加工は、部品の形状と微細構造の両方をその場で検証する十分に活用されていない機会を提供すると主張します。 従来の CNC では、部品の微細構造は主に製鉄所によって決定されます。 「従来の CNC 切断の観点から見ると、実際に影響を与えるのは部品表面の外側 10 ミクロンまたは 15 ミクロンだけです」と彼は言いました。 AM では、機械は成形時に部品の形状と微細構造の両方を作成します。 したがって、ハイブリッド マニュファクチャリングの目標の 1 つは、工程中と完成後の両方で、機械内の部品密度を検査することです。 これを行うには渦電流プローブを使用します。これにより電場が生成され、材料の導電率が測定されます。

「頭は表面をかすめているだけだ」とジョーンズ氏は語った。 「亀裂や空隙が存在する場所では、電子が流れるための連続した経路が存在しないため、電子は回り込む必要があり、システムはこれを測定します。」 一般的な金型の場合、このプロセスには 20 ~ 30 秒かかりますが、従来の金型浸透試験では 20 ~ 30 分かかります。

添加剤機械には、新たな安全上の考慮事項と手順が必要です。 Okuma の LASER EX マシン - 標準的な Okuma 5 軸マシニング センター (MU シリーズ) または 5 軸複合加工機 (MULTUS シリーズ) を組み合わせたもので、レーザー金属蒸着用のTrumpf レーザーが組み込まれています。 Trumpf が提供する標準的なレーザーの安全性に関する考慮事項に加えて、Okuma は次の安全性チェックリストを作成しました。

管理的

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—Okuma America Corp.、QA コンプライアンス マネージャー、Michael Lail 氏

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