ダイカスト＋積層造形のハイブリッド成形プロセスの研究

出典: 自動車材料ネットワーク

レーザービーム溶融法 (LBM) とレーザー金属堆積法 (LMD) は、複雑な形状の部品を製造できるという利点があり、複雑な部品の小ロット生産に特に適しています。近年では航空宇宙、医療、自動車などの分野でも利用が広がっています。それにもかかわらず、付加製造は、製造時間が比較的長く、製造コストが高いため、工業生産を実現するのが依然として困難です。

付加製造と比較すると、ダイカストは短時間で大量の製品を生産できます。最大 12 m/s の充填速度により、ダイカスト部品の生産サイクルは部品ごとにわずか数分で完了します。しかし、生産効率が高いことには欠点もあります。たとえば、非常に複雑な部品は成形が難しく、より高度な金型が必要になることがよくあります。製造工程における高い機械的強度、溶融物の衝撃による摩耗、および大きな温度変動により、ダイカスト金型はより高価になります。さらに、金型では通常、1 つの形状の部品しか製造できません。

Agent-3D 共同プロジェクトの一環として、ドイツ連邦教育研究省の資金提供を受けている CastAutoGen プロジェクトは、積層造形とダイカストを組み合わせてハイブリッドプロセスチェーンを形成し、両方のプロセスの利点をより有効に活用することに取り組んでいます。プロセスルートの設計では、生産サイクルとコスト要因が十分に考慮されています。単純な大容量の構造部分はダイカストプロセスを使用して製造され、高機能で複雑なコンポーネント部分は 2 つのプロセスを組み合わせて使用されます。これに基づいて、2 つのプロセススキームが設計されました。スキーム 1 では、単一の金型への追加部品の挿入と組み立てを検討し、スキーム 2 では、LMD を通じて単一のダイキャスト部品に追加構造を作成する方法を検討しました。

1金型内での追加部品の製造<br /> スキーム 1 では、複雑な構造のダイカストプロセスを実現するためのレーザービーム溶融技術の使用を研究します。このソリューションでは、補強リブ、熱交換器、ブラケットなどの構造をレーザービーム溶融によって製造し、金型に挿入して、これらの部品の周囲で鋳造を開始します。詳細については図1を参照してください。このプログラムでは、より優れた接合を実現するために、さまざまな形状のインターフェース変更技術も研究します。

研究者らは、自動車補助ユニットブラケットのダイカスト金型を改良し、プラグインを金型内にモジュール式に収容できるようにした。レーザー溶融プロセスの設計と開発では、接合領域の接合界面の形状と表面改質に特別な注意を払う必要があります。そこで、図2に示す3つのインターフェース構造の接続機械的特性を検討し、引張試験結果を図3に示します。

2ダイカスト構造への追加部品の追加<br /> オプション 2 では、レーザー金属粉末堆積技術 (LDP) と溶接プロセスを通じて鋳造部品に追加コンポーネントを実現する技術的ソリューションを検討します。方式 1 とは異なり、方式 2 はダイカスト (図 4 の灰色の部分) をベースとし、LPD 技術を使用して追加構造を製造し、溶接によってそれらを組み合わせます。

レーザー粉末堆積法 (LDP) は、集束レーザービームを使用して基板表面を局所的に溶融することにより、粉末状の金属またはセラミック充填材を金属基板に溶接するプロセスです。図6（左）に示すように、フィラー材料は最初にレーザービームのエネルギーを吸収して溶融し、次に溶融池からの熱を吸収して完全に溶融します。望ましくない化学反応を避けるために、このプロセスは保護ガス雰囲気下で実行する必要があります。溶融物は部品に熱を放散して固化し、溶接ビードを形成します。複数の溶接ビードを積み重ねることで、全体の3次元構造が形成されます。適切な材料には、スチール、ニッケル、コバルト、アルミニウム、銅、チタンなどがあります。

レーザービーム溶融では、図 6 (右) に示すように、粉末を層状に積み重ねて部品を製造します。コンポーネントの CAD ファイルが層状にシステムにインポートされた後、粉末層が定義された高さで基板上に適用されます。レーザービームは不活性ガス雰囲気内で粉末床の表面をスキャンし、対応するポイントで粉末を溶かしてから固化します。次に、部品全体が完成するまで次の層を適用し、部品を除去します。

図 5 (左) に示すように、従来の方法で製造されたアルミダイカスト部品には、不規則に分布した気孔がいくつかあります。レーザーが穴の周囲の材料を溶かすと、穴が拡大し、図 5 (中央) に示すように水ぶくれが発生します。図 5 (右) に示すように、真空鋳造プロセスは、気孔の問題を効果的に改善し、ふくれを防ぐことができます。

下の表1は、ハイブリッド部品と単一材料の機械的特性の比較を示しています。性能は単一材料の文献基準値よりわずかに低いですが、すべて自動車業界の要件を満たしています。また、テスト中、関連する接続領域で障害は発生しませんでした。

このプロセスに基づいて、研究者らは図 7 (左) に示すようにエンジン支持構造を製作しました。 Audi社がこの製品を製造中止にしたため、真空鋳造を行うことができませんでした。図 7 の右側の CT スキャンからわかるように、LPD で製造された補強材にはほとんど多孔性がありません。射出成形と追加構造の間の遷移領域にのみ部分的に多孔質があります。チームは現在、動的/静的機械特性と耐腐食性テスト用のコンポーネントの製造に取り組んでいます。

著者: STEFEFAN POLENZ、MARKUS OETTEL、DR. ELENA LóPEZ、PROF. DR.

この研究に関与している組織は以下のとおりです。
F フラウンホーファーIWS（LPDプロセス）
F フラウンホーファーIWU（LBMプロセス）
E Edag（シミュレーション、開発）
トリメットオートモーティブ（アルミ鋳造）
エリコンAM（生産・サービス）
Audi（関連パートナー）
ZF Friedrichshafen AG（関連パートナー）。

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