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The Additive Advantage-3Dプリントが粉末金属のパフォーマンスをどのように変えているか

2019.12.23  3Dプリンターインダストリー4.0切削工具基礎

1995年9月/ 10月号のGear Technologyで発表された研究では、新規及び既存の歯車用途における粉末冶金(以下PM)の利点が検討されました。 Carbon City Products, Inc., のGeorge Shturtzが執筆した「PMの初心者向けガイド」は、自動車、ハンドツール、屋外動力装置、事務機器アプリケーションなどの分野でギア設計を検討するに値する理由を調査しました。

PMが現在のギア製造で果たしている役割と1995年時点で持っていた可能性を比較すると、興味深い読み物です。また、Metal Powder Industries Federation(MPIF)は技術を支持していますが、 1940年代半ば—Additive Manufacturing(付加造形、以下AM)は、近年PMの可視性をさらに高め、試作品から生産環境へポテンシャルを押し上げました。

3DEOのMatt Sand社長は、粉末金属の使用プロセスが非常に複雑であるため、金属AMは常にプラスチック3Dプリントよりも優れていると述べました。 一部の粉末金属は爆発を防ぐために慎重な環境条件で取り扱う必要があり、一部のプロセスは最終部品密度を達成するために焼結が必要です。

「現在、金属積層造形は、主に航空宇宙や医療機器などの産業での複雑な部品の試作と1回限りの生産に使用されています。 しかし、3DEOのような企業は、大量生産に最適化された新しい金属AMプロセスの作成に懸命に取り組んでいます」と彼は付け加えました。

3-Dプリントされたコンポーネントの可能性

3-Dプリンターの機能は向上し続けているため、PMコンポーネントは、1回限りのカスタマイズされたソリューション以上のものになる可能性があります。

XometryのAMシニアアプリケーションエンジニアであるTommy Lynch氏によると、粉末床溶融金属システムは生産性を高めるために進化しました。 粉体の取り扱いがよりユーザーフレンドリーになり、より小さな部品でビルド速度とスループットを向上させることができるデュアルまたはクアッドレーザーを備えたより多くのシステムが登場するのを予見しています。

Lynch氏によると、メタルバインダージェッティングも、このテクノロジーの新しい技術とともに活性化の段階を迎えています。 今後数年間で、この技術は、金属射出成形と同様の結果をもたらす生産金属部品を製造するためのより強固な足場を持つ可能性があります。

3Dプリントされた粉末金属コンポーネントの可能性に関して、Lynch氏は、従来の製造方法と比較して最大の利点は反復の速度になると考えています。

「エンジニアは、1週間以内に設計、即座の見積もり、注文、部品の調達を柔軟に行えるようになりました。 さらに、CNC機械加工や金属鋳造などの従来の方法で通常発生する急なセットアップ費用を回避することにより、コストを節約できる可能性があります」

A Metal Xプリントファーム(Markforged提供)

直接金属レーザー焼結や選択的レーザー溶融などのレーザー粉末層融合の場合、試作と生産の両方に同じプロセスを使用できるため、部品の検証と改訂リリースで戦略的な利点が得られました。 リンチは、直接印刷された金属オプションに移行することにより、金属鋳造のサプライチェーンで課題を解決するXometryのお客様の例を数多く見てきました。 製造された部品には、完全に密集してすぐに加工できるという利点もあります。

さらに、Sand氏は、3Dプリントされた金属コンポーネントは、高度な設計と内部冷却チャネルなどの複雑な形状の恩恵を受けると述べました。 これらのコンポーネントは、耐久性の向上、コストの削減、リードタイムの短縮、機能性の向上の恩恵を受けることができます。

MarkforgedのアプリケーションエンジニアであるAlex Crease氏は、高強度の金属部品と低コストの採用が登場してから、3Dプリントアプリケーションが変わったと述べています。 たとえば、金属製の3DプリンターであるMarkforgedのMetal Xを使用すると、さまざまな金属から部品を迅速に製造する安全で費用対効果の高い方法が導入されます。 機械は、結合された金属粉末を層ごとに押し出し、部品を構築します。 一度構築されると、それはバインダーで溶けて最終的な金属部分が凝固する炉で焼結されます。

「Metal Xのような付加技術は、3Dプリントが現代の工場の過酷さと緊張に耐えることができる部品を効率的に生産できることを示していますが、そのような品質と有効性は、十分な資金を持つ最大のメーカーだけのものではないことも示しています。 人工知能(AI)の導入により、3-Dプリントのランドスケープはさらに進化し、製造業者は3-Dプリントをより正確で信頼性の高いものにする機会を得ています。

歯車の生産について

PMコンポーネントはあらゆる形状とサイズで提供されますが、この雑誌の読者はおそらく、ギア製造における将来の可能性に最も興味をそそられるでしょう。

「ギアは、厳しい許容誤差とコンポーネントへの高い要求のために非常に困難です」とサンドは言いました。 「ほとんどの金属3-Dプリントテクノロジーは、生産量でこれらの要件を満たすことができません。

MetalXベッドのクローズアップ(Markforged提供)

3DEOのインテリジェントレイヤリングリングプロセスは、金属粉末の層から始まり、独自のバインダーでスプレーされます。次に、切削工具を使用して、部品の1次元の2D設計を切り取ります。このプロセスは、パーツが次に、部品を炉で焼結してバインダーを溶かし、最終部品密度を達成します。3DEOのプロセスは、後処理を削減する優れた表面仕上げを実現できます。

3DEOの金属製3Dプリントギア


「歯車は研磨が困難な小さな溝のある複雑な形状をしているため、歯車にとって特に有益です。さらに、歯車は機能するために完全に合わなければならないため、厳しい公差が必要です。

Lynch氏は、ポリマーの面ではカーボンDLSプラットフォームを介してエポキシおよびウレタン材料でプリントできることを含む、材料科学に大きな進歩があると述べました。 ポリマーと金属の両方の粉末床融合技術は、中型から大型の歯車に適しています。 レーザー焼結とマルチジェットフュージョンはこの素晴らしい例です。

「微細なフィーチャと薄いギャップには、まだ表面仕上げと解像度の問題があります。 ギア付きコンポーネント用の添加剤を選択するときは、プロセス許容誤差、材料、および構築時の表面仕上げをすべて考慮する必要があります。

添加剤の製造で歯車を製造するという課題は、2倍である:機械はギア歯におけるバックラッシュを最小限にするために十分に高い精度で印刷する必要があり、機械印刷材料は、歯を介してトルク伝達に耐えなければなりません。 業界を席巻しているプラスチック製の3Dプリンターには、効果的な歯車の歯を印刷する強度や解像度がありません。 Crease氏によると、金属製の3Dプリンターにはそれを行うための材料強度がありますが、これまで金属製の3Dプリンターは手頃な価格ではありませんでした。 「Metal Xは、ステンレス鋼や工具鋼を含むさまざまな金属の金属部品を作成するための費用対効果の高いソリューションを提供します。 ギアの製造には、押出台、ブローチなどのように、ある程度の工具と費用が必要になることが多いため、積層造形では、これらの間接費の一部を削減して、プロトタイピングと生産の両方を効率化できます。 ギアや同様のコンポーネントのような機能的なプロトタイプや小規模な生産部品は、工具や間接費を心配することなく作成できます」とCrease氏は言います。

メーカーが大規模生産の準備が整えば、Metal Xを使用して、ギアやその他のコンポーネントを大規模に製造するために必要な工具とワークホールドを作成できるとCrease氏は述べました。 これにより、ギア製造業者は設計を迅速に繰り返し、ギア設計とそのツーリング設計の両方を最適化しながら、コストを低く抑えることができます。

MarkforgedのBlacksmithは、AM機械を「自己認識」する最初のAI駆動ソフトウェアであり、ユーザーがプログラミングを自動的に調整して、すべての部品が設計どおりに生産されるようにします。 Blacksmith AIソフトウェアは、AM装置を検査装置に接続します。 これは、パーツを3Dスキャンし、その情報を機械に中継してフィードバックすることができることを意味します。これにより、次のパーツをより正確にするために設定が更新されます。 製造と検査間がクローズドループとなり、3Dプリントされた部品がより正確で再現可能になります。

「「MarkforgedのBlacksmithは、部品の精度と再現性を改善して、製造業者が「適応型製造」で正確な印刷ギアまたはギアツーリングを確実に受け取れるようにする可能性があります。 3-Dスキャンにより、このデータは、AIが学習してプロセス設定を調整してより正確な最終部品を生成する元の設計と比較されます。 最終的に、Blacksmithは適切な部品を最初から毎回生産し、メーカーはプリンターがギアコンポーネントに必要な公差を満たしていることを確認し、生産実行前に必要な設計の反復回数を減らすことができます」とCrease氏は言います。

限界を知る

AMには固有の制限があります。 Lynch氏によると、これは主にビルドプロセス中に発生する内部ストレスに関連しています。 ほとんどの場合、支持構造体は絶対的に必要であり、後処理(ポストプロセッシング)は表面の不一致だけでない課題を追加します。

「顧客を教育し、合理的な期待を構築することは、金属印刷での作業の大部分です。」とLynch氏は言いました。 「サイズとコストも高すぎる可能性があります。 この技術は拡張できますが、ビルドトレイを小さな部品の配列に使用する場合に最適化されます。」

金属3D印刷の利用に関する最大の課題は、業界内の品質管理の欠如です(3DEO提供)

金属3D印刷を利用する際の最大の課題は、業界内の品質管理の欠如です。 「3Dプリンティングは、主にプロトタイピングに使用されます。大量生産に使用すると、ほとんどの技術が再現性を達成できず、通常、プロセスの劣化に問題があるためです」とSand氏は語ります。

 Crease氏は、一番の課題は技術そのものではなく、それを取り巻く業界の教育であることに同意すると述べました。 「ベンダーが画期的な新しい部品製造方法を導入すると、当然、プロセスを理解し、それを活用してビジネスを改善および変更する方法を全員が理解するのに時間がかかります」と彼は言います。

熱処理と表面仕上げに焦点を当てる

特にステンレス鋼合金の熱処理は、特定の条件または特性を得るために、基本的に制御された加熱および冷却サイクルです。 熱処理条件によっては、部品の硬度と引張強度を高めたり、延性と機械加工性を改善したりすることができます。 Sand氏によると、通常、条件は部品のアプリケーションと作業環境によって定義されます。

「メディアブラストなどの仕上げプロセスにより、表面品質が向上するだけでなく、表面硬度や耐疲労性などの特性も向上します。 また、ブラストは汚染の除去と均一な表面外観の提供にも役立ちます」と彼は付け加えました。

Lynch氏は、多くの印刷された金属部品がサポートやビルドプレートから取り外す前に部品ストレスを緩和するために熱処理が不可欠であると付け加えました。 造られたコンポーネントの材料を硬化させるために、後熱処理も利用できます。 通常、部品はビーズブラストまたはショットピーニングで表面の余分な材料を取り除きます。 表面の平滑化には、研磨法と非研磨法がありますが、それぞれにトレードオフがあります。

従来の金属と同様に、3-Dプリントされた金属は特定の温度に熱処理して異なる材料特性を実現できるため、歯車の従来の加工方法は3-Dプリントのような現代の技術に持ち越すことができます。 「ギアの歯の滑らかで正確な表面により、ギアはスロップやノイズなしで一貫して噛み合うことができるため、表面処理が非常に重要です。 歯車の歯の表面に矛盾があると、歯車の効率が低下します。歯が詰まりやすくなり、歯を介して力を伝達するためにより多くの電力が必要になります。 同様に、歯車の製造精度が低下すると、システムにバックラッシュとスロップが多く導入されます。 したがって、一貫したきれいな表面を使用すると、ギアのパフォーマンスが向上し、ギアの効率が向上します。 MarkforgedのMetal Xに印刷された部品は、従来の金属と同様にクリーンアップできるため、非常に高い精度が必要な場合は後処理が簡単になります」とCrease氏は述べています

先駆けるために

では、今日のテクノロジーはどこに向かっているのでしょうか?

Sand氏は、プロトタイピングから実稼働への移行は簡単ではないと述べました。 AMはラピッドプロトタイピングに最適ですが、連続生産に必要な再現性の実現は複雑です。 その理由は、積層造形には標準化された生産方法がないためです。 AMでは、プリントの結果に影響を与える可能性のある数百の変数を制御できます。 各プリンター、オペレーター、さらにレイヤーは互いに独立しており、パフォーマンスの予測可能性に対して深刻な問題を引き起 こす可能性があります。

「3DEOは生産のアイデアを念頭に置いて開発されたため、すべてまたは私たちのシステムはこれを中心に開発されました。 私たちが成長し、より多くの注文を受注するにつれて、品質とプロセス管理の標準化に欠けているAMプロセスの量を常に発見しています。 その結果、従来の製造と競合するために独自のシステムを開発する必要があります」とSand氏は述べています。

3DEOには専任のR&Dチームがあり、Intelligent Layeringテクノロジーの開発と改善を続けています。 現在、使用可能な材料をチタンや炭化タングステンなどの他の材料へ拡大する作業を行っています。

Xometryは、さまざまな3-Dプリントプロセスおよび材料用の意味のあるエンジニアリングおよび製造用設計(DFM)ツールを作成し続けます。 デザインガイド、ビデオ、包括的なオンラインナレッジベース、および新しい革新的なテクノロジーの継続的なリリースを提供しています。 Xometryは製造のプラットフォームであるため、従来の機械加工、板金、および成形だけでなく、7つの3D印刷技術の価格を即座に設定し、リードタイムを提供できます。

Xometryは、従来の機械加工、シートメタル、および成形(Xometryの提供)に加えて、7つの3D印刷技術の価格を即座に設定し、納期を提供します。

印刷は、金属を3D印刷する場合の多段階プロセスの最初のステップにすぎません。 部品を概念化する最良の方法は、ニアネットシェイプとしてです。つまり、特定の公差や表面仕上げを達成するには追加の処理が必要になる可能性が高いことを意味します。 優れた代理は金属鋳造であり、形状が作成された後、通常は後加工されます。 「シンプルさと信頼性が積層造形の鍵となります。それが、ソフトウェアからプリンター、素材まで、完全な積層エコシステムを開発した理由です。 この戦術により、プロセスのあらゆる部分を微調整して、お客様に最高のユーザーエクスペリエンスと信頼性を提供することができます。 顧客が仕様内の部品を印刷したかどうかを確認できるようにするため、Blacksmithを立ち上げました。 1つの弱いリンクが悪い結果を生むため、プロセスの各部分を1つのグループにまとめることが不可欠です。 たとえば、顧客が劣悪な素材を使用している場合、プリンターの品質がどれほど高くても、最終的な品質は劣ります」とCrease氏は言います。

3DプリントされたPMギアの未来

Sand氏は、特に量産のボリュームが少ない場合、ギア製造の未来は明るいと考えています。 3DEOは現在、金属3Dプリンティングテクノロジー生産を提供していますが、ギアの製造に大きな進出をもたらす他の多くの新進気鋭のテクノロジーは間違いなくあります。

Lynch氏は、解像度と表面仕上げは直接プリントされた結果から改善し続けると述べました。 粉末床溶融が、金属部品が付加的に製造される主要な方法であるとは限らないためです。

このメタルテストプリントは、Metal Xシステムで実行されています(Markforged提供)

「加法と加法、加法と減法の両方のプロセスの新しいハイブリッド化により、プロセス間の強みをより活用できるようになります。 たとえば、部品の成長と機能セットのその場での調整は一般的です。 これをモデルベースの定義(MBDまたはPMI)と組み合わせることで、設計意図、製造、および実際の実装のブレンドを補完します」とLynch氏は言いました。

Creaseによれば、積層造形技術の能力は、特に公差と寸法精度によって、信じられないほどの速度で向上しています。

Xometryは、さまざまな3D印刷プロセスおよび材料用の意味のあるエンジニアリングおよび製造のための設計(DFM)ツールを作成し続けます。

「10年から15年後、精密なナノドライブやマイクロモーターから非常に大規模なギア(ミルやプーリーギアなど)に至るまで、さまざまな3Dプリンターからギアとエネルギー伝達システムを生産する予定です。」 前記。 「さらに、Subtractive Manufacturing(除去加工)から歯と溝の設計における現在の制限を取り除くことにより、これまで考えられなかったすべての新しい噛み合いと駆動方法の可能性が広がります」

著者: Matthew Jaster, Senior Editor

上記、記事はGEAR TECHNOLOGYを当社で翻訳したものです。

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