3D プリント技術の後処理には課題があります。どのように対処すればよいでしょうか?

付加製造（AM）による機能部品の製造は、他の方法では作成不可能な製品の設計と製造に役立ちます。 3D プリントの柔軟性を活用することで、軽量、高熱効率など、性能上の利点を持つ部品を製造できます。当社では、高度な自動化が可能な単一の構築プロセス内で、個々のコンポーネントを複雑な全体設計に統合し、効率的な材料利用と最小限の製造廃棄物を実現しています。

しかし、積層造形には欠点もあります。上記の利点にもかかわらず、積層造形は後処理においていくつかの問題に直面します。積層造形部品の仕上げは、軽量で形状が複雑なため困難です。どちらの特性も、ワークピースのクランプと振動の問題が発生し、プロセスのスループットが低下する可能性があります。さらに、複雑なコンポーネントに正確なポストプロダクション補正データがない場合、コンポーネントの位置合わせに問題が生じる可能性があります。

この論文で取り上げる問題は、軽量部品に効果的な仕上げを可能にする十分な剛性を与えることです。効果的なワーク保持ソリューションを使用して、機械加工可能な非剛性付加部品を作成する方法を検討します。また、複雑な AM パーツの位置合わせに工作機械のプローブを使用する方法についても説明します。これにより、定義されたジオメトリ内で「適切なパーツを見つける」ことができ、重要な基準面を正しく加工できるようになります。

図 1 3D プリントされた部品の形状が複雑な場合は、特殊なワークピースクランプデバイス (3D プリントされたワークピースクランプデバイスなど) を使用して処理する必要があります。

処理要件 処理のニーズはさまざまであるため、特に金属材料の場合、付加製造や 3D 印刷のプロセスでは正確な許容誤差を満たす形状を生成することができません。通常、他の部品との接続用に正確な丸い穴と滑らかな表面を得るには、後処理が必要です。しかし、軽すぎると AM 部品の剛性が低下することが多く、機械加工プロセスでのパフォーマンスが低下します。積層造形部品は形状が複雑で、損傷を与えることなく安定したクランプを実現することが課題です。最後に、積層造形後、部品は通常、基準形状に機械加工する必要があり、仕上げのために部品をどのように取り付けるかが問題になります。

これらの問題は、複合材や超塑性成形部品の製造業者が直面する課題と多くの類似点があります。複雑な形状は変形する可能性があり、変形箇所では正確な形状を機械加工する必要があります。 AM ユーザーは、AM の問題を解決するために他の業界のベストプラクティスから学ぶことができます。 Antarctic Bear は、これは非常に有用な技術記事であると考えています。

ケーススタディ: マイクロ波カテーテル 付加製造処理に関しては、部品が処理中に耐えなければならない負荷に耐えられるほど十分に硬いかどうかなど、多くの問題が発生します。設計またはサポートによって適切な剛性を提供する部品が完成したと仮定すると、もう 1 つの重要な問題は、データを取得して工作機械でキャリブレーションを実行する方法です。複雑な形状の AM 部品の場合、構築プロセス中に変形が発生する可能性があり、正確なデータが不足しているため、機械加工された形状内で「適切な部品を見つける」必要があります。積層造形部品の最適な 5 軸アライメントを実現することは非常に重要です。

図 2: 部品の形状を機械加工するために使用される 3D プリントされたクランプは、ワーク保持装置内で部品を密閉できます。

私たちが注目するケーススタディの部分は、通信衛星用に設計されたマイクロ波レールです。部品の主な性能要因には、重量、マイクロ波の伝送効率、衛星ペイロードに必要なスペースなどがあります。

ステップ 1: 切削力の影響 まず、適用する切削力に耐えられるだけの剛性が部品にあるかどうかを知る必要があります。これは、適切な材料のスクラップシートを動力計に接続し、切断力を推定することで実験的に決定できます。このようにして決定された最大および典型的な切削力は、有限要素解析 (FEA) を使用して部品に適用されました。実際の部品をテストカットすることで、切削力の影響を観察できます。

電子レンジダクトの加工で問題が発生しました。切削中に部品が工具から逸れて跳ね返り、共振や工具のチャタリングが発生し、部品の表面が粗くなります。その結果、フランジの周囲の寸法が小さすぎて、表面の平坦性が低下します。

切断中に部品の剛性を高める必要があります。部品の設計を変更するか、加工中にサポート方法を変更するかの 2 つのオプションがあります。

ステップ 2: 設計による改善?
1 つのアプローチは、AM 部品の設計に何らかの変更を加えて剛性を高めることができるかどうかを検討することです。 FEA 回路図では、部品の端を接続し、切断中に見つかったたわみを減らすために、いくつかのサポートを追加しました。

このアプローチの問題点は、部品のパッケージングが増加し、他のコンポーネントが占めるスペースに影響し、全体的な設計効率が低下することです。さらに、剛性を高めても、基本的なワーク保持方法を使用して部品を加工するには不十分な場合があります。

ステップ 3: ワークホールディングを再考する 積層造形の利点を失うことなく部品の設計を変更することが難しい場合は、金属加工中に部品を固定する他の方法を検討する必要があります。硬い固定具で固定したときに部品を損傷する可能性のあるたわみや振動を減らすために、コンポーネントのサポートを分散する方法を見つける必要がありました。接着剤を使用してワークピースをクランプする方法や、移動ピンのセットを使用して複雑な形状に合わせてワークピースをクランプする方法など、さまざまな方法があります。

ただし、積層造形アプローチ、つまりパッケージ化された 3D プリントクランプを作成するという方法も検討できます。これらの方法により、金属部品全体にクランプ力が分散され、変形や表面損傷のリスクが軽減されます。また、金属部品が目標の機械加工形状に近づくようにし、たわみや振動を減らします。

ステップ 4: 処理の準備 機械加工スクラップの主な原因の 1 つは、絶対的なパフォーマンスと時間の経過に伴う相対的なドリフトの両方の観点から、工作機械の形状が不十分であることです。工作機械の軸の直線および回転運動範囲が、部品を正確に製造するために必要な許容範囲を超えると、エラーが発生します。そのため、マイクロ波ダクトの加工と同様に、異なる方向の加工基準図形間の幾何公差を管理する必要があります。

工作機械の計測ツールを使用して部品の幾何学的精度を判定し、接触プローブを使用して直線運動と回転運動をチェックすることができます。 Metrology Software Products 社が製造する NC-Checker は、これらの検査結果を分析するために使用されるソフトウェアツールです。プロービング結果を 1 つのレポートにまとめることで、5 軸マシンの実際の精度を確認するのに役立ちます。加工を開始する前に、機械に付属する標準プログラムが参照ポイントとなり、パフォーマンスに影響する可能性のある問題を特定するのに役立ちます。このレポートでは、時間の経過に伴う機械のドリフトに関するデータも提供され、機械が重大なポイントに達したときに警告を発し、機械のメンテナンスが必要になる可能性があることを伝えます。

その後、機械に問題がなければ、ワークピースの切断を開始できますよね? 必ずしもそうとは限りません。

付加製造は部品の製造プロセスをさまざまな面で変化させますが、その一例がデータの生成方法です。従来の機械加工プロセスでは、通常、最初に基準形状を機械加工し、その後、これらの基準形状を使用して、後続の機械加工の準備として部品を調整および配置します。ただし、他のすべての表面が生成された後の最終的な加工操作中に正確なデータが追加されるため、積層造形ではこれを行うことはできません。

したがって、AM 部品のセットアップの難しさは、部品の仕上げを正常に完了できるように、形成された実際の形状を考慮する必要があることです。基本的に、私たちがしなければならないことは、計画された加工代と計画外の部品のたわみを考慮して、正確なパターンを切断する予定のすべての領域で部品の形状を理解することです。均一で効率的な切断を確実に行うには、すべての場所に十分な材料が確保されるように部品を位置合わせする必要があります。

今回も検出装置を使います。 NC-PerfectPart は、材料の実際の状態を考慮し、仕上げに「最適な」設定を見つけるために、さまざまなマルチポイントアライメントオプションを提供します。マイクロ波ガイドチューブの場合、すべての測定ポイントでの材料の状態を使用して予備アライメントプロセスを繰り返し、最適な均一な切断条件を実現するために必要な多軸アライメントと位置オフセットを決定します。セットアッププロセスの第 2 段階では、エンドフランジの 6 つの穴をプローブして、穴の切断に最適な均一な切断条件を確保するための最適な位置オフセットを見つけます。

ステップ5: 処理部品が 5 軸加工センターに完全に固定され、位置合わせされた後、基準パターンの切断を開始する準備が整いました。最終部品の重要な寸法は許容範囲内であり、表面の平坦性は良好です。以前の試験と比較して、ツールのチャタリングと摩耗が大幅に減少しました。

概要 精密機械加工は、多くの場合、積層造形プロセスチェーンの「最後のリンク」となります。これは非常にリスクの高いプロセスです。ミスをすると、高価な部品が台無しになる可能性があります。軽量で機能が最適化された AM 部品は剛性が高くなく、仕上げにサポート用のワーク保持が必要になることが多いため、精密加工は困難です。複雑な形状には同様に複雑な固定具が必要であり、3D プリントされた梱包用クランプが理想的なソリューションを提供します。

計測は、厳しい公差で機械加工する場合、特に部品が変形する可能性があり、幾何公差を満たす必要がある場合に重要です。プロービングデバイスを使用すると、材料内で「適切な部品プロファイルを見つける」ための複雑な位置合わせが可能になり、部品の変形に対応し、より均一な仕上げ切削条件を適用できるようになります。

出典: MM「Modern Manufacturing」

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