薄肉回転部品の5軸3Dプリント加工技術の研究

文：王翔

3Dプリンティングは「第3次産業革命の中核技術」として知られ、航空宇宙、建設、医療などの分野でますます利用が広がっています。従来の 3D プリンターは 3 軸モーションシステムを使用しており、材料は一方向に層ごとにしか積み重ねることができません。印刷部品が複雑になると、補助として多数のサポート構造を印刷する必要があり、材料が無駄になり、処理効率に影響を与えるだけでなく、部品の表面品質にも影響を与えます。また、3軸印刷では「段差効果」が形成されやすく、製品の品質に影響を与えます。現在は、既存のX、Y、Zの3軸3Dプリントプラットフォームにスイングテーブルを追加し、Y軸を中心に回転するB軸とZ軸を中心に回転するC軸を追加することで、5軸多方向プリントを実現しています。各軸の動きを調整して加工面の向きを調整し、部品構造の傾斜角度が常にその臨界サポート角度よりも小さくなるようにすることで、サポート構造の追加を回避し、段差効果を軽減します。

関連する研究結果によると、5軸3Dプリントはほとんどの部品の加工を解決できますが、すべての部品の加工指示を生成するソリューションは現在のところ存在しません。本研究では、5軸3Dプリント加工技術の研究に基づいて、薄肉回転部品の統一加工方法を提案した。まず、代表的な回転体部品を設計し、座標変更によってその 5 軸加工コードを生成しました。次に、自作の 5 軸 3D 印刷プラットフォームで実際の印刷操作を実行し、このスキームの実現可能性を検証し、その後の 5 軸 3D 印刷プロセス研究の方向性を示しました。

1 5軸3Dプリント技術の進歩<br /> 5軸3Dプリンターのハードウェア開発の観点から、5軸3Dプリントが可能な既存の加工プラットフォームとしては、SAUER LASERTECとDMG MORIが共同で開発したレーザークラッディング加工機「LASERTEC 65」、米国OPTOMECが3軸をベースにワークベンチをクレードルモードに変更し、LENS原理に基づいて開発した5軸3Dプリンター、日本のENOMOTN工業が開発した、既存の産業グレードの5軸制御技術をベースに押し出し3Dプリントとフライス加工を連続的に行うことができる5軸ハイブリッド加工機などがある。

5軸3Dプリント加工技術の研究進捗状況は以下のとおりです。
①ノルウェーのオスロ大学の学生ØK Grutle氏は、図1に示すような5軸3Dプリンターを設計しました。このプリンターは、従来の 3 軸プリンターをベースにスイングテーブルを搭載し、A 軸と C 軸を追加しました。この研究では、既存の方法に基づいて単純な部品を印刷することでプリンターの性能を検証しただけで、5軸3D印刷プロセスに関する詳細な研究は行われませんでした。

図1 ノルウェー・オスロ大学の5軸3Dプリンター ②中国鉱業大学機械電気工学学院の胡青氏らは、複雑なモデルを分割・簡素化できる5軸3Dプリント技術を提案した。本研究では、最適サブシーケンスマッチングアルゴリズム（NOSB）を使用してモデルの骨格を抽出し、次に帰納的学習に基づくインタラクティブセグメンテーションアルゴリズムを使用してモデルを本体とスキャフォールドに分割し、モデルを簡素化するという目的を達成しました。しかし、この研究の欠点は、薄壁の回転部品など、さらに分割できない複雑な表面を持つ特定の部品を処理できないことです。

③ロードアイランド大学のムサ・ジュアネ教授は、円筒形や半球形などの特殊構造物にオプトメック社のLENS（レーザーエンジニアードネットシェイピング）3D金属プリントレーザー成形技術を用いて材料を追加する加工方法を研究しました。この研究はその後の 5 軸 3D プリント技術の参考になりましたが、この方法は部品の形状によって大きく制限されていました。

3D プリント技術は近年大きく進歩しましたが、3D プリント技術の将来の動向として、5 軸 3D プリント技術のプロセス研究はまだ初期段階にあります。

2 薄壁回転体5軸3Dプリントプロセスとプラットフォーム構築
（１）薄肉回転体のための５軸３Ｄプリントプロセス<br /> 加工方法に応じて薄肉回転体の3Dプリントを検討します。回転パスに沿って材料を印刷するには、従来の 3 軸プリンターでは X 軸と Y 軸が連携して円形の軌跡を描く必要がありますが、2 軸のリンクでは印刷の精度が低下します。

ワークピースの成形品質の観点から、薄壁回転体の 3D プリントを検討します。回転断面の形状が不確定なため、構造にオーバーハングが発生します。壁が薄いため、押し出された材料は印刷中に崩れやすく、サポートなしで外側に拡張できる角度が制限されます。また、回転体の表面勾配が大きい場合、段差効果がより顕著になり、曲面の表面品質が悪くなります。そのため、従来の 3 軸スライス印刷の 2 つの欠点である「追加サポート」と「ステップ効果」は、薄壁回転体の一般的な製造において容易に現れます。 5 軸印刷を使用すると、これらの欠陥は両方とも回避できます。

5軸工作機械のC軸はZ軸を中心に連続的に回転できるため、回転体の回転軌跡をそのまま完成させることができます。そのため、押し出しヘッドはX軸またはY軸を小さな範囲内で移動させるだけでよく、C軸は連続的に回転して材料の層の積み重ねを完了できます。精度は2軸リンク方式よりも高くなります。また、B軸スイングを利用して、ワークピースの回転断面を異なる角度で積層することができるため、回転断面の内外面の法線方向に合わせて積層することができます。B軸を回転させると、積層する各層は前の層を基準に完全に倒れ、加工中に張り出した部分は現れず、内外面も連続しています。

上記の分析から、5 軸 3D プリントプロセスは薄壁回転体の加工において明らかな利点があることがわかります。

（２）５軸３Ｄプリンティングプラットフォームの構築①押出機ヘッドの温度制御３Ｄプリンティングプロセス中、押出機ヘッドの温度は一定の範囲内で安定している必要がある。この効果を実現するために、温度を制御する温度制御システムが構築されました。温度信号はサーミスタによって収集され、そのデータは Arduino UNO によって処理され、現在の押出機ヘッドの温度が取得されます。そして、制御回路のオン・オフを切り替えることで押出機ヘッドの加熱を制御し、押出機ヘッドの温度が制御可能な範囲内で変動するようにする。

②モーター制御はMACH3 with nMotionを使用し、X、Y、Z、A、Cの合計5つの動作軸を制御します。B軸はノズルの送り速度と送り量を制御します。

③プラットフォーム構造プラットフォームは3つの移動軸と2つの回転軸で構成されており、3つの移動軸はステッピングモーターとリードスクリューで構成されています。スクリューロッドにスライダーを取り付け、そのスライダーに3Dプリンターの押し出しヘッドを取り付けることで、X、Y、Zの3方向への移動を実現します。下部には、Y軸に沿って回転できる回転軸と、Z軸に沿って回転できる回転軸が装備されています。

3 5軸3Dプリントプロセス
（１）５軸３Ｄプリントの一般的な加工アイデア<br /> この記事では、X軸を中心に回転するA軸とZ軸を中心に回転するC軸を追加する例を取り上げます。 B 軸と C 軸を追加する場合も原理は同じです。スイングテーブルの回転中、スイングテーブルが静止しているとみなすと、材料の押し出しヘッドはスイングテーブルに対して相対的に移動し、変換プロセスは図 2 に示されています。

(a) 回転軸
(b) C回転軸図2 回転軸変換 A軸とC軸がそれぞれ回転する場合、変換行列R(X, A)(φ)とR(Z, C)(θ)はそれぞれ

A軸とC軸が同時に回転する場合、変換行列TはR(X, A)(φ)とR(Z, C)(θ)の積となる。

したがって、回転座標（X′、Y′、Z′）と元の座標（X、Y、Z）の関係は次のように表すことができます。

（２）薄肉回転部品の加工

図 3 に示す薄壁回転体部品は、本研究で提案されたソリューションの実現可能性を示すためのサンプルとして選択されています。

(a) サンプルモデル (b) ベースセクション図3 薄肉回転部品サンプル図3では、回転断面の内側と外側の母線が同心円弧になっています。従来のラピッドプロトタイピング技術では、Stl モデルに基づく階層化製造プロセスにステップ効果があり、部品の寸法精度と表面粗さに影響を及ぼします。また、サポート材の使用により、3Dプリントされたオブジェクトの種類とスタイルは大幅に拡大しましたが、同時に生産コストが増加し、オブジェクト表面との接触点の表面品質にも影響を及ぼしました。 5 軸モーション機構とワークピースの表面に合わせたレイヤリング方法を使用することで、従来の方法に存在する問題を効果的に回避できます。

(a) サンプル座標系と角度層の計算 (b) サンプル断面図4 サンプルモデル座標系と断面図4はサンプルモデル座標系です。図中の記号の意味は、X軸とZ軸は工作機械座標系、O軸は回転体の縦断面の内面と外面の円弧曲線の中心です。

点 O をワークピースの内面の任意の点に接続し、この接続線と水平面との間の角度を θ とする。この接続線を上方に Δθ 偏向させて得られる新しい線分と、壁の厚さによって得られる断面 A1 が積層層である。X1 と Z1 は、元の座標系を原点を中心に反時計回りに回転させ、X 軸が断面 A1 と平行になるまで回転させたときの新しい座標系である。サンプルは断面から 2 つの部分に分割され、異なるスライス方法を使用して処理できます。① 下部の三角形の部分 (図 3b と図 4a の黒い部分を参照)。② 上部の完全な同心円弧で構成された主要部分。

サンプル製造の具体的な軌道計画は次のとおりです。
① 下部の三角形部分をZ軸で層状にし、MATLABソフトウェアを使用して、異なるZ高さにおける三角形の縦断面の内面と外面のX座標を計算し、x1とx2として記録します。印刷するときは、まず押し出しヘッドを x1 座標に固定し、C 軸を 1 回転させて内面の円を形成します。次に押し出しヘッドを x2 に移動し、同じ方法で外面の円を印刷します。次に、押し出しヘッドが x1 と x2 の間を前後に移動し、C 軸が一定の速度で同期して回転し、X 軸の 1 周の往復周波数と一致し、2 つのリングの間にジグザグ線の形で材料の充填が完了します。

②本体部：ワークの外面は円弧状なので、Δθが小さい場合は内層と外層の厚さはほぼ等しいとみなすことができます。 A1 の高さ方向は外面の法線方向なので、A1 は任意の点における壁厚の法線断面となります。このとき、印刷プラットフォームをＢ軸を介してＹ軸を中心に回転させることにより、ワークピース上に固定された座標系が図４ａに示すＸ１およびＺ１座標系に変換され、３Ｄ印刷押出機ヘッドをＡ１断面上でＸ軸方向に沿って簡単に移動させることができる。 C軸ターンテーブルをZ軸を中心に回転させ、送りステッピングモーターの送りを維持したままプラットフォームを回転させることで、A1部の回転によって形成された凹円錐面上に積み重ねを行うことができます。この積層方法は各層が円弧の接線方向に沿って積層されるため、段差効果を効果的に弱めることができます。さらに、積層は接線方向に行われるため、上層は下層に対して X 軸方向に移動する必要がなく、積層が中断されることがなくなり、従来の 3 軸印刷プロセスで必要なサポート構造が不要になり、材料を節約できます。

また、MATLAB は、X 座標系と Z 座標系が異なる角度 θ で反時計回りに回転したときに、平行セクション A の内面と外面の X 座標と Z 座標を解くための数学モデルを確立するためにも使用されました (図 4b を参照)。角度情報は、工作機械の実際の加工工程におけるスイングテーブルのB軸角度に対応し、各回転角度θには対応するセクションAがあります。押し出しヘッドは対応する Z 高さまで上昇し、その後の層充填方法は三角形部分と同じです。基本的に、上記の方法は B 軸角度レイヤリングプロセスに基づいています。押し出された材料の厚さは 2 つの回転間の層の厚さに対応するはずであることを考慮すると、B 軸の各回転増分 Δθ は 0.1° であると計算されます。

MATLAB によって生成されたデータは、EXCEL テーブルにエクスポートされます。C++ プログラムは、EXCEL ファイルを読み取り、Gcode コードファイル形式 (G 命令の追加、XYZABC 文字の追加など) で出力するように作成されます。テストプラットフォーム工作機械は nMotion CNC 6 軸コントローラを使用しているため、コントローラの A 軸を使用して送りステッピングモーターを制御します。さらに、プログラム内で2行毎の動作命令間の動作軌跡の長さを計算し、標準送り速度に基づいてA軸の送り（供給）量を取得してGコードに追加します。ジグザグ線充填の各層中のC軸回転角度と押出機のX移動量の調整は、充填密度に影響します。その設定はGコード出力と同じで、C ++プログラムでも自動的に完了します。

（３）物理的な表示実際に加工したサンプルを図 5 に示します。サンプルのベース部分は従来の 3 軸印刷で得られ、上部は改良された 5 軸プログラムに基づいて印刷されています。図から、ベース部分の表面粗さがワークピースの上部の表面粗さよりも大幅に大きいことがわかります。したがって、改良された 5 軸加工法は、従来の 3 軸印刷よりも大きな利点があります。5 軸印刷は、段差効果が少なく、崩壊現象がなく、ワークピースの表面加工品質を効果的に向上させることができるため、本論文の方式の実現可能性が証明されています。

(a) 正面図 (b) 上面図図5 3Dプリントサンプル
概要<br /> B 軸と C 軸を追加することで、5 軸 3D プリントは吊り下げ構造のサポート問題を解決し、段差効果を軽減し、3D プリントのプロセス最適化のためのより多くのオプションを提供します。 5 軸 3D プリント処理技術は研究面ではまだ初期段階にあり、統一された処理命令生成ソリューションが欠けています。この研究の意義は、5軸3Dプリント加工指示書の生成のための新しいソリューションを提案し、その後の研究の基礎を築くことです。

著者: 王翔
出典: ツールテクノロジー

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