【分析】金型3Dプリントと加工機械の複合応用

金型は工業生産において欠かせない工程設備であり、機械、家電、電子製品、農業、国防、航空宇宙などの分野で広く使用されています。高品質の金型は製品の品質を保証します。製品の形状と機能に対する人々の要求が高まり続けるにつれて、業界では金型の精度、表面品質、耐用年数に対する要求が高まっています。製品の急速な更新と反復に適応するために、金型の生産サイクルは継続的に短縮されています。科学技術の発展は現代の産業技術の革新を推進しています。3Dプリントに代表される付加製造技術、インテリジェント製造システム、高性能切削工具、高速加工機などの先進技術は、古くからある金型産業に新たな活力をもたらしています。

1. 金型製作と部品加工の違い<br /> 金型製作と部品加工は同じ加工分野に属しますが、両者には大きな違いがあります。金型加工の特徴の一つは、その独自性です。金型はそれぞれ異なります。一連の製品の金型でさえ、類似点しかありません。製品バッチが非常に大きくない限り、同じ金型が追加されますが、その数は多くありません。金型のCNC加工中に工具を交換するためにツールマガジンが使用されることはほとんどありません。これは、各金型セットの加工が試作プロセスとみなされるためです。

多くの CNC プログラミングソフトウェアにはモジュールプログラミング機能があり、類似の金型に同じパラメータを適用できますが、深い溝や急勾配などの詳細部分では、工具のクランプ長さに応じて切削パラメータを再調整したり、工具の振動によるオーバーカットを防ぐために工具の仕様を変更したりする必要があります。部品加工は通常、バッチ生産であるため、単品試作後のパラメータをバッチ複製生産に使用できます。このとき、ツールマガジンを使用すると、ツール交換の速度と精度が大幅に向上します。つまり、プログラムをコンパイルした後は、加工中に必要に応じて摩耗した工具を交換するだけで、部品の一括加工が完了することになります。金型加工を部品の大量生産と同じくらい簡単にしたい場合は、高精度の機上測定フィードバックシステムを備えたインテリジェントな加工工作機械が必要です。

2. パーティング面の金型合わせ<br /> パーティング面の金型合わせは、プラスチック金型加工における重要なベンチワーク工程です。鉛丹粉とエンジンオイルを一定の割合で混合した表示剤の助けを借りて、ベンチワーク技術を使用して上部と下部の金型を密接に合わせ、射出成形製品のパーティング面にクロークがなく、製品のパーティングラインが極めて薄くなります。

金型のパーティング面が平坦な場合、付属品は比較的簡単で、研削盤を使用して、上下金型のパーティング面の残りの仕上げ代を除去し、上下金型を密着させることができます。
金型のパーティング面が非平面の場合、金型マッチングの難易度が大幅に増加しますが、これは主にパーティング面の加工精度によって発生します。

ボールカッターは通常、非平面の分割面を加工するために使用されます。平面カッターと比較すると、ボールカッターは切削時の接触面積が小さく、摩耗しやすいため、加工面とコンピュータモデルの間に大きな差が生じます。分割面が大きい金型の場合、この損失偏差はさらに深刻です。

熟練した CNC プログラマーは、非二等分面をいくつかの領域に分割し、ずれを相殺するためにずらした処理を実行し、貫通面と引っかき面に適切な金型マッチング代を追加しますが、金型マッチングは金型フィッターにとって依然として困難な作業であり、フィッターのスキルと CNC 処理精度との間での闘いとなります。前述のインテリジェント加工工作機械を使用して金型を加工すると、非平面加工精度と工具摩耗を正確に測定し、工作機械のインテリジェント制御システムにフィードバックすることで、非平面表面の補正仕上げを行うことができ、非平面金型マッチングの難易度が大幅に軽減されます。現在、このタイプの精密金型加工の価格は高いですが、技術の継続的な革新と置き換えにより、金型精密加工の普及は金型業界の発展の傾向となっています。

3. 3Dプリント技術は金型の設計と製造に利用されている
3D プリントは近年注目されており、業界内やインターネット上のいたるところで見かけるようになりました。もともとは研究室で生まれ、製造業のトップ分野で活躍していましたが、デスクトップモデルの形で突如一般家庭に入り込み、現在ではプラスチック、樹脂、金属、セラミックスなどさまざまな積層造形方法を通じて製造業で普及しています。製品の設計および開発プロセスに 3D プリント技術を導入すると、開発時間を大幅に短縮し、開発コストを削減できます。金型開発の過程では、3Dプリント技術を金型の試作、特殊付属品の加工、金型の修理などに活用することができます。

インベストメント鋳造は一般的な高精度製品鋳造技術であり、その製造プロセスはワックス射出成形金型の設計と製造、ワックスサンプルの作成、砂殻の作成、注入、後処理、検査の6つのステップに大別できます。ワックス射出成形型の設計と製作、ワックスパーツの製作という2つの側面から3Dプリント技術を紹介します。ステンレス鋼精密鋳造製品の開発では、食器や蛇口などの小ロットカスタマイズや試作に遭遇することがよくあります。

例えば、海外の有名なレストランやシェフの中には、カスタマイズした調理器具のハンドルや蓋に自社の商標を入れるところもあります。開発の過程では、手書きのサインや登録商標など、さまざまな選択肢があります。テストコストを節約し、研究開発サイクルを短縮するために、金型内の製品商標部分は、通常、互換性のあるものにされます。あるハンドルを 3 つの異なる商標でテストする必要がある場合、金型内の製品商標の位置を同じサイズの 3 つのインサートに作成し、商標のスタイルに応じて 3 つの電極を作成し、EDM マシンで形成する必要があります。ワックス射出成形用金型は、ほとんどが切削しやすいアルミニウム合金で作られていますが、インサートの CNC 加工、銅電極の彫刻、放電加工には、完了するまでに少なくとも 9 時間かかります。ワックスサンプルの成形温度と射出圧力が低いことを考慮して、適切な消耗品を備えた 3D プリンターを選択し、必要な 3 つのインサートをわずか 3 時間で印刷することができました。これにより、処理時間が大幅に短縮されるだけでなく、CNC マシンや EDM マシンを占有する必要もなくなります。その利点は明らかです。

パーソナライズされた単品カスタマイズ製品の場合、適切な消耗品を選択して、従来のワックスサンプルを印刷された部品に直接置き換えることができます。ジュエリーなどのより高い精度が求められる部品や製品の場合、3Dプリントワックスモデルモデルを使用して生産することもできます。

4. フォーク型製作例<br /> 外食の際にはフォークなどの使い捨て食器がよく使われます。使い捨てフォークの需要は大きく、金型製造技術の継続的な改善により、通常の単層金型の数は1金型あたり20個未満から40個に増加し、1セットの金型の生産効率は2倍になりました。

需要が非常に大きいため、フォーク 1 本の品質にも厳しい要件が課せられます。使用中のフォークの強度を確保しながらも、できるだけ軽量にする必要があります。そのため、フォークの製品設計、特にフォークの底部の補強リブは非常に重要です。

CI-5050 型枠と 1 型あたり 40 個の使い捨てフォークプラスチック型セットを例に、型キャビティとパーティング面の柔軟な処理を分析します。この金型セットの加工には 2 つの特徴があります。1 つは、大面積の非平面の CNC 加工であり、もう 1 つは、補強リブが配置されている深く狭い溝の加工です。プラスチック金型の金型キャビティについては、従来の方法では、通常のハードレールCNCを使用して加工し、加工できない直角や小さなフィレットの残位置や深く狭い溝は、電気スパーク加工で加工します。

ハードレール CNC は、より大きなプラスチック金型の加工に適しており、特に粗加工では効率は高いですが、微細加工の速度は比較的遅くなります。 EDM の利点は、高精度とキャビティの表面硬度の向上ですが、この金型セットに使用すると明らかに利点がありません。
①この金型はキャビティが多く、補強リブが狭く深いため、電極損失が非常に大きく、複数の粗加工電極と仕上げ電極が必要となり、同じ金型キャビティでは電極損失を補うために複数の放電加工が必要になります。
② 40個の金型キャビティがリング状に均等に分散されています。通常の3軸放電加工機では、電極の位置合わせや接触が非常に複雑で、金型キャビティの位置ずれやミスが発生しやすくなります。
③フォーク全面を研磨する必要があるため、硬化した放電パターンにより研磨の難易度が増します。

上記の状況を考慮して、フォーク金型の加工には、通常のハードレールCNCとリニアレール彫刻およびフライス盤の組み合わせが選択されました。まず、通常のハードレールCNCを使用して、従来の加工方法に従って荒加工と中仕上げを行い、次にリニアレール彫刻機とフライス盤を使用して、パーティング面とキャビティをエリアごとに仕上げ、すべての補強リブを彫り出します。

リニアレール彫刻フライス盤は回転速度が高く、送り速度も速いため、軟質金属の加工や彫刻に適しています。粗加工に使用すると、効率が大幅に低下し、工作機械や切削工具に深刻な損傷が発生します。特別に研がれた成形ツールを備えたリニアレール彫刻およびフライス盤を使用してフォークの補強リブを彫刻すると、作業が高速になるだけでなく、電極材料と処理コストも大幅に節約できます。加工された金型キャビティは表面粗度が高く、その後の研磨やデバッグに便利で、フォークの強度と軽さのバランスが取れています。

出典: マシニストマシンツールワールド

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