【分析】精密鋳造業界における3Dプリントの応用

ラピッドプロトタイピング製造技術は現在、国際的なプロトタイピングプロセスにおいて大きな注目を集めています。鋳造は伝統的なプロセスであり、製造コストが低く、プロセスの柔軟性が高く、複雑な形状や大型の鋳造品を生産できます。両者の特性と利点を最大限発揮することで、新製品の試作において客観的な経済的利益を得ることができます。
3D プリントには、SLS、SLA、SLM などの 3D プリント方法が含まれます。従来の製造方法とは異なり、3D プリントは部品の CAD ジオメトリモデルから始まり、ソフトウェアによる階層化離散化と CNC 成形システムを経て、レーザービームなどの方法を使用して材料を蓄積し、固体部品を形成するため、材料付加製造とも呼ばれます。複雑な 3 次元製造を一連の 2 次元製造重ね合わせに変換するため、金型やツールを必要とせずにほぼあらゆる複雑な形状の部品を生成でき、生産効率と製造の柔軟性が大幅に向上します。

CNC加工、鋳造、金属コールドスプレー、シリコンモールドなどの製造方法とともに、ラピッドオートプロトタイピングは現代のモデル、モールド、部品製造の強力な手段となっています。これは、金属部品の単品または小ロットの機敏な製造を実現する、我が国の国情に適した効果的な方法です。航空宇宙、自動車、オートバイ、家電などの分野で広く使用されています。 3D プリント技術は、精密鋳造に必要なワックス型や消耗型インベストメント型、砂鋳造用の木型や砂型を迅速に提供できるため、ワックス型や木型を使用した従来の鋳造における長い準備サイクル、多額の投資、曲面などの複雑な部品の製造の難しさなどの問題を解決します。精密鋳造技術（石膏鋳造を含む）と砂型鋳造技術は我が国では非常に成熟した技術であり、これら2つの技術の有機的な組み合わせにより、低コストと高効率の生産が実現され、迅速な製造という目標が達成されました。

3Dプリント技術の特徴
3D 印刷プロセスでは、まず製品の 3 次元 CAD ソリッドモデルまたはサーフェスモデルファイルを生成し、それを特定のファイル形式に変換し、対応するソフトウェアを使用して、ファイルから設定された厚さの一連のレイヤーを「カット」するか、CAD ファイルから一連のレイヤーを直接カットします。これらの層が順番に積み重ねられ、設計された部品の形状が形成されます。その後、各層のデータがラピッドオートマチックプロトタイピングマシンに転送され、材料追加法とレーザーを加熱源として各層が順に焼結または溶融され、同時に接続され、部品全体が完成します。成形材料は、パラフィン、プラスチック、低融点金属粉末、またはそれらの混合粉末などのさまざまな焼結可能な粉末です。 3D プリント技術は従来の方法に比べて独自の利点があり、その特徴は次のとおりです。

1. 設計プロセスと製造プロセスの統合を容易にします。生産プロセス全体がデジタル化され、CAD モデルと直接相関しています。部品は見た目どおり、手に入るものであり、いつでも変更および製造できるため、複雑な構造部品の CAD/CAM プロセスにおける CAPP のボトルネック問題が軽減されます。

2. 傾斜材料部品、マルチマテリアル部品など、従来の方法では製造が困難な部品を加工できるため、新材料の設計に役立ちます。

3. 複雑な部品のブランク金型の製造サイクルとコストが大幅に削減されます。機械部品をエンジニアリング材料で直接成形すると、ブランク成形金型の設計と製造が不要になります。

4. ブランクのニアネットシェイプ成形が達成され、加工代が大幅に削減され、材料の無駄が回避され、エネルギー消費が削減され、環境保護と持続可能な開発に有益です。

5. 工程準備の時間とコストが大幅に削減されるため、単品試作や小ロット生産のサイクルとコストが大幅に削減され、特に新製品の開発や単品小ロット部品の生産に適しています。

6. 伝統的な方法と組み合わせることで、迅速な鋳造、迅速な金型製造、小ロット部品生産などの機能を実現し、伝統的な製造方法に新たな活力を注入します。

鋳造における3Dプリント技術の応用

（１）精密鋳造精密鋳造は、すべての鋳造方法の中で最も正確で、精度は通常 0.5% を超え、再現性も良好です。鋳造には、使用前にわずかな機械加工のみが必要です。鋳造金型は使い捨てなので、複雑な内部構造を持つ部品の製造や、鍛造や機械加工では製造できない部品の製造が可能です。精密鋳造には多くの利点がありますが、その製造プロセスは複雑で時間がかかります。プレスワックスパターン用のアルミニウム型の製造には、複雑さとサイズに応じて、通常数週間から数か月かかります。アルミ型を入手してから鋳造品が届くまでには数週間かかります。これらの週は主にシェルの作成に使用されます。精密鋳造は時間がかかるだけでなく、非常に労働集約的であり、コストの 50% ～ 80% が人件費に起因します。また、小ロット生産では金型費用が分散されるため、単価が高くなります。 3D プリントとインベストメント鋳造は補完的であり、どちらの方法も複雑な形状の部品の製造に適しています。ラピッドオートプロトタイピングがなければ、鋳型の製造が精密鋳造のボトルネックプロセスになります。しかし、精密鋳造がなければ、ラピッドオートプロトタイピングの適用も大幅に制限されます。

精密鋳造における 3D プリント技術の応用は、次の 3 つのタイプに分けられます。
1 つ目は、小ロット生産に使用されるロストモールディング法です。
2つ目は、小規模生産に使用されるダイレクトシェル方式です。
3つ目は大量生産のための迅速なワックス型製造です。

（２）急速鋳造製造業、特に航空、宇宙、国防、自動車などの基幹産業では、基本的なコア部品は一般的に金属部品であり、金属部品の中には非対称であったり、表面が不規則であったり、複雑な構造をしており、内部に微細な構造が含まれているものも少なくありません。これらの部品の製造は、多くの場合、鋳造または分解によって行われます。ラピッド鋳造は、3D プリントされた部品をマスター型または遷移型として使用して金属部品を複製する最も魅力的な方法です。これは、鋳造プロセスによって複雑な形状の部品を製造できるためです。鋳造生産では、テンプレート、コアボックス、ワックスモールド、ダイカストモールドの製造は、機械加工法で完了することが多く、フィッターによるトリミングが必要になることもあります。サイクルが長く、コストが高くなります。金型設計から加工、製造まで、複数のリンクを持つ複雑なプロセスです。わずかなミスでも、プロセス全体のやり直しにつながる可能性があります。

特に、ブレード、インペラ、エンジンブロック、シリンダーヘッドなど、形状が複雑な鋳物の場合、金型の製造は非常に難しいプロセスです。CNC加工センターなどの高価な設備を使用しても、加工技術とプロセスの実現可能性には依然として大きな困難が伴います。 3D プリント技術と伝統的な職人技を組み合わせることで、長所を最大限に活かし、短所を回避し、半分の労力で 2 倍の結果を達成できます。 3D プリント技術を使用してワックスモデルを直接作成し、迅速な鋳造プロセスで型を開く必要がないため、製造サイクルとコストを大幅に節約できます。図2は、急速鋳造法で製造された4気筒エンジンのワックス型と鋳造品を示しています。従来の金属鋳造法では、型の製造サイクルは約半年かかり、数十万元のコストがかかります。急速鋳造法を使用すると、3Dプリント鋳造に3日、鋳造に10日かかり、試作作業全体が予定より5か月早まります。

3) 石膏鋳造<br /> インベストメント鋳造は、3D プリントされた部品から鋼製部品を作成するためによく使用されます。ただし、アルミニウムマグネシウム合金部品や石膏鋳造品などの低融点金属部品の場合、効率はさらに高くなります。同時に、鋳造品の品質を効果的に保証でき、鋳造の成功率も高くなります。石膏鋳造プロセス中、3D プリントされた部品は消えるモデルのままであり、そこから石膏型が得られ、必要な金属部品が得られます。石膏鋳造の最初のステップは、3Dプリントを使用してロストモールドを作成し、3Dプリントされたロストモールドを石膏スラリーに埋めて石膏モールドを取得し、石膏モールドを焼成炉に入れて焼成することです。

このように、3Dプリントされたロストフォームは高温によって分解され、最終的には完全に消えます。同時に、石膏型は乾燥して硬化します。このプロセスには通常約2日かかります。最後に、特殊な真空鋳造装置で溶融アルミニウム合金を石膏型に注入し、冷却後、石膏型を破壊して金属部品を取り出します。この金属部品の製造方法は、ダイカスト法に比べてコストが 2% ～ 5% と非常に低コストです。生産サイクルは非常に短く、通常は 2 ～ 3 週間です。石膏鋳物の性能は精密鋳造品に匹敵します。真空環境で鋳込みが完了するため、通常の精密鋳造品よりもさらに優れた性能を発揮します。
出典: インターネット

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