技術解説 - 積層・切削ハイブリッド加工工作機械

近年の航空宇宙、自動車、金型産業の技術進歩に伴い、部品の構造や形状はますます複雑になり、材料の加工もますます困難になっており、従来の金属切削加工方法は大きな課題に直面しています。同済大学現代製造技術研究所の張淑教授は論文「積層造形と切削のハイブリッド加工工作機械」の中で、ハイブリッド加工の定義と種類を具体的に提案し、粉末床選択的レーザー溶融3Dプリントとミリングのハイブリッド加工、レーザーサーフェシング3Dプリントとミリングのハイブリッド加工、超音波3Dプリントとミリングのハイブリッド加工という3つの新世代の積層造形と切削のハイブリッド加工と工作機械の原理と応用事例について詳しく説明しました。

ハイブリッド加工とは、積層造形（3Dプリント）と切削加工の組み合わせや、電気加工と超音波加工の組み合わせなど、1つの装置で2つの異なる加工機構を完了できる加工方法です。ハイブリッド加工プロセスは、異なる加工方法の相補的な利点を活用して、難加工材料（チタン合金など）の加工性を大幅に向上させ、加工力と工具/ツールの摩耗を減らし、加工部品の複雑な表面の完全性と仕上げに積極的な役割を果たします。製品設計者に新しいアイデアを開き、ハイエンド製品の革新を大幅に促進します。

ハイブリッド処理は、一般的に複合処理と呼ばれるものではありません。複合加工とは、旋削、フライス加工、穴あけ、タッピング、深穴あけなどの複数の工程を工作機械に統合し、1回のクランプでブランクから完成品までワークピースを加工することを指します。マルチタスク、多機能、完全加工とも呼ばれます。

ハイブリッド加工は、異なるエネルギー源またはツールの混合と、異なる加工メカニズムの制御可能な適用の 2 つのカテゴリに分けられます。異なるエネルギー源またはツールの混合は、補助プロセス (旋削中にレーザーを使用してワークピースの表面を柔らかくするなど) とハイブリッドプロセス (電気加工と電気化学加工を同時に行うなど) に分けられます。積層造形と切削加工のハイブリッドは、異なるプロセスメカニズムの制御可能なアプリケーションのハイブリッドに属します。

1 現状と動向
1.1 レーザー加熱アシスト切断<br /> レーザー支援加工とは、レーザー光線を刃先の前のワーク表面に集束させ、ワークを短時間で局所的に高温に加熱してから材料を除去することで、材料の切削性能を高め、切削しやすくする加工です。ワーク表面を加熱することで、材料の可塑性が向上し、切削力が低下し、工具の摩耗が減り、振動が軽減され、加工効率の向上、コストの削減、表面品質の向上という目的を達成します。高強度材料の場合、レーザー加熱により加工性が向上します。硬くて脆い材料の場合、脆さを延性に変換し、降伏強度を破壊強度以下に下げ、加工中の亀裂を回避できます。

振動アシスト旋削加工は、旋削工具に非常に小さな振幅（300nm〜500nm）の超音波振動（40kHz〜80kHz）を適用し、工具とワークピースを定期的に接触および解放することで、切削プロセスの物理的特性を変化させるプロセスです。振動状態では工具とワークの接触時間が分離時間より短いため、形成される切りくずが短く、切削抵抗が小さく、切削温度が低く、加工面の品質が向上します。超音波振動装置は構造が比較的シンプルで、標準的な精密旋盤の工具ホルダー部品として取り付けることができ、硬化したワークピースや難削材の鏡面旋削加工が可能です。
レーザー加熱と超音波振動アシスト加工の例を図1に示します。

図1: レーザー加熱と超音波振動支援加工
1.2 電気加工と研削加工を組み合わせたハイブリッド加工機<br /> ドイツの Walter 社の Helitronic Diamond ツール研削盤は、2 in 1 設計コンセプトを採用しており、回転電極を使用して PKD/CBN ツールを処理し、研削ホイールを使用して 1 台のマシンで超硬工具/高速度鋼工具を研削します。工作機械はガントリー構造になっており、X、Y、Z軸の移動はすべてリニアモーターで駆動され、A軸とC軸はトルクモーターで駆動されます。電極/砥石と工具ワークピースの交換システムは、工作機械の両側に構成できます。工作機械は、対称構造や複雑な形状の工具を加工するために使用されます。中間ベルトで駆動する軸を使用します。両端にそれぞれ1〜3個の回転電極と研削ホイールを取り付けることができ、180°回転して切り替えることができます。電動スピンドルを使用する場合は、片端に1〜3個の回転電極または研削ホイールのみを取り付けることができます。工作機械の外観と加工状況を図3に示す。

図2: ハイブリッド放電加工と研削加工のための工具機械
1.3 新しいトレンド：積層造形と切削加工のハイブリッド<br /> 積層造形の原理は、方向性粉末堆積、粉末床レーザー溶融、薄材料積層、液体樹脂光硬化、ワイヤ溶融など、積層方法を含む材料の連続的な重ね合わせによって部品を形成することです。切削加工は、ブランクから余分な材料を取り除いて最終部品を形成するもので、旋削、フライス加工、穴あけ、平削り、研削などがあり、積層造形とは逆で、材料の面では減算的です。積層造形の利点は、材料を節約し、非常に複雑な構造と形状の部品を製造できることです。一方、切削加工には、高効率、高精度、高表面品質という利点があります。この 2 つを 1 つの工作機械に組み合わせて統合することで、刺激的な応用の展望が生まれています。 3Dプリントは、製品のCADソリッドモデルを薄く切り取り、輪郭に合わせて加工し、層ごとに積み重ねる直接デジタル製造であり、積層製造とも呼ばれ、インテリジェント製造を支える技術です。

3D プリンティングは、材料特性を最大限に活用して任意の複雑な形状の製品を構築し、デザイナーに無限の革新の余地をもたらします。 3D プリント製品は、オンデマンドで製造できるだけでなく、企業内で現地製造も可能な、カスタマイズされパーソナライズされたユニークな製品です。

自動車、航空宇宙、金型の重要な部品はプラスチックではなく金属で作られていることに注目すべきです。そのため、プロトタイプではなく金属 3D プリント部品が積層造形法の最前線にあり、製品イノベーションの新しい時代を先導しています。

2 選択的レーザー溶融3Dプリントとフライス加工のハイブリッド加工

日本の松浦社が発売したLumex Avance-25ハイブリッド加工機は、レーザー溶融3Dプリントとフライス加工を統合したものであり、その外観と代表的な加工事例を図3に示します。

図3：Lumex Avance-25ハイブリッド加工機とその加工ケース
Lumex Avance-25 は、1 台のマシンで選択的レーザー溶融 (3D プリント) を実行し、その後、高速フライス加工を使用して部品全体またはその表面の一部を仕上げることで、高精度と高い表面品質を実現します。原理としては、10 層（約 0.5mm ～ 2mm）を印刷して金属板を形成した後、高速フライス加工（スピンドル 45000r/min）を使用して輪郭を一度微調整し、次に再度 10 層を印刷し、輪郭を再度微調整し、このプロセスを継続的に繰り返して、最終的に図 4 に示すように、高精度で複雑な構造の部品に重ね合わせます。

図 4: レーザー焼結 3D プリントとフライス加工のハイブリッド処理プロセスでは、レーザー焦点サイズと粉末材料を変更して、多孔質構造を含むさまざまな材料密度の部品を製造します。ワークピースの「付加成長」と仕上げが1回のクランプで完了するため、レーザー溶融とミリングのハイブリッド加工により±2.5μmの精度を実現し、ワークピース全体の寸法精度は±25μmに達します。

レーザー溶融とフライス加工のハイブリッド加工の最大の利点は、組み立てなしで複雑な金型を製作できることです。従来の製造方法は、複雑な金型をいくつかの部品に分解し、製作後に組み立てるというものです。これは時間と労力がかかるだけでなく、必然的に一定の誤差が生じ、金型の精度が低下します。レーザー焼結3Dプリントとフライス加工を統合した工作機械では、深い溝と薄い壁を持つ複雑な金型を一度に加工できるため、複雑な金型の設計と製造プロセスが完全に変わります。

第二に、射出成形機が溶融プラスチックを射出成形金型に注入すると、高温が発生し、金型の冷却時間が射出成形時間よりも長くなります。冷却パイプの設計と加工は、多くの場合、射出成形金型の品質の鍵となります。従来の射出成形金型では、ドリル加工法を使用して直線および交差の冷却チャネルを作成しますが、これらの冷却チャネルは金型表面の形状から等距離ではないため、熱伝導が不均一になり、冷却効果が低下します。レーザー溶融3Dプリントを使用することで、加熱面と冷却面が基本的に等距離にある、金型表面に適合した3D冷却チャネルを製造できるため、冷却効果が大幅に向上し、冷却時間が短縮され、射出成形機の生産効率が大幅に向上します。

3 レーザークラッディング3Dプリントとフライス加工のハイブリッド加工機

3.1 DMGのLASERTEC 65 3D工作機械<br /> DMG MORIは、レーザークラッディング技術と5軸フライス加工技術を独自のハイブリッド加工機に統合したLASERTEC 65 3Dを発売しました。その外観を図5に示します。

図5: LASERTEC 65 3Dマシンの外観
LASERTEC 65 3Dハイブリッド加工機は、レーザークラッディング3Dプリント用の2kWレーザーを搭載し、さらにモノブロック構造のフル機能・高剛性5軸CNCフライス盤を採用し、高精度なフライス加工を実現します。「LASERTEC 65 3D は、フライス加工とレーザー加工を完全自動で切り替えることができます。アンダーカット、修理、スプレー塗装金型、機械部品、医療機器部品など、複雑なワークピースを完全に加工できます。粉末床でのレーザー溶接法とは異なり、レーザークラッディング技術では、金属粉末ノズルを使用して大型部品を製造できます。クラッディング速度は 1 kg/h に達し、粉末床レーザー焼結による部品製造速度の 10 倍の速さです。フライス加工技術との組み合わせにより、まったく新しい応用分野が開拓されました。複雑なワークピースは複数のステップで形成され、フライス加工とクラッディングを交互に実行できます。このようにして、形状の制約によりツールで加工できない部品を最終成形前に加工し、最終的な精度要件を達成できます。

ハイブリッド加工機は、CNCフライス盤の高精度、高表面品質などのメリットだけでなく、粉末クラッディング技術の柔軟性と高速性も備えています。たとえば、モノリシック部品の場合、最大 95% の金属をフライス加工で除去する必要がある場合がありますが、積層法では必要な場所にのみ溶接を施します。これにより、貴重なワークピース材料が大幅に節約され、処理コストが削減されます。

レーザーと粉末堆積ヘッドは、フライス加工スピンドルの HSK ツールホルダーに一緒に取り付けられます。機械がフライス加工しているとき、安全な正しい位置で自動的に停止します。工作機械と加工プロセスは CNC システムによって制御され、制御システムは CELOS と Operate 4.5 バージョンを搭載した Siemens 840D ソリューションラインです。

粒子径50μm～200μmの粉末がレーザーヘッド内のパイプを通じてワーク表面に搬送され、同時にレーザービームが金属粉末を母材（ワーク）表面に溶接し、中間に空隙や亀裂を生じることなく母材と結合するため、接合強度が非常に高くなります。クラッディングプロセス中は、クラッディング金属の酸化を防ぐために不活性保護ガスが供給されます。金属層が冷却されると、機械加工が可能になります。 LASERTEC 65 3Dレーザークラッディングヘッドの動作原理と動作状態を図6に示します。重要な技術は溶融池の温度測定とプロセス制御です。ノズル内には溶融池の温度画像を収集するためのカメラが取り付けられています。

図 6: レーザー堆積溶接ヘッドの動作原理と操作。このハイブリッド処理方法の顕著な利点の 1 つは、異なる材料の複数の層の堆積溶接が可能なことです。選択したレーザーとノズルの形状に応じて、クラッディングの壁の厚さは 0.1 mm から 5 mm の範囲になり、複雑な 3D 輪郭と形状を生成できます。レーザークラッディングとミリングは簡単に切り替えて交互に行うことができるため、クラッディング成形工程中に成形後に工具が届かないワークピースの部分を仕上げミリングすることが可能です。典型的なケースは、底部に穴が分散したフランジを備えたトランペット型のターボチャージャーハウジングであり、外円、平面、穴あけのフライス加工が必要です。トランペットの外周には12個のジョイントがあり、溶接、フライス加工、穴あけなどが必要です。トランペットの口はベースのフランジよりも大きいため、フランジの穴の加工が困難です。図7に示すように。従来の製造コンセプトでは、加工性が極めて悪く、単一装置で加工するのはほぼ不可能な部品でしたが、ハイブリッド加工により現代の製造業に奇跡が起こりました。

図 7: ターボチャージャーハウジングの 12 の混合加工操作。通常、エネルギー産業や航空宇宙産業向けの CNC 工作機械は非常に高価です。したがって、荒加工、クラッディング、仕上げに同じ工作機械を使用すると、顧客に大きな経済的利益がもたらされます。さらに、エネルギー産業や石油産業の部品では、摩耗を防ぐために耐腐食合金をスプレーする必要があることがよくあります。溶接オーバーレイ技術は、パイプ継手、フランジ、特殊構造部品など、過酷な環境で使用される多くの製品を保護できます。

LASERTEC 65 3D マシンのハイライトは、レーザークラッディング技術とフライス加工技術を巧みに組み合わせて、最高の表面品質とワークピースの精度を実現することです。粉末ノズルによるレーザークラッディングは、粉末床積層造形法よりも10倍高速で、金属粉末の利用率は80％にも達します。最大直径 500 mm の完全な 3D ワークピースをサポート構造なしで、張り出した輪郭も含めて処理でき、完成した部品のアクセスできない領域を直接処理できます。

DMG森精機は最近、同じ積層造形技術をフライス加工/旋削加工と統合したLasertec 4300 3Dハイブリッド加工機を発売しました。最大Φ660mm、長さ1,500mmのワークピースを加工でき、製品設計者に新たなイノベーションの場をさらに広げます。

3.2 3Dプリント溶接ヘッド

米Hybrid Manufacturing Technologies社は、フライスカッターのテーパーシャンクと同じインターフェースを持つコンパクトな3Dプリントサーフェシングヘッドを発売した。マシニングセンターのツールマガジンに装着し、工具のように交換できる。図8に示すように。

図8：アメリカのハイブリッド製造技術によるサーフェシング3Dプリントヘッド。ロボットがサーフェシングヘッドをスピンドルに挿入すると、レーザー光源、粉末供給、ガス供給パイプラインを接続するインターフェイスシートがすぐに対応する位置に移動し、サーフェシングヘッドに挿入され、さまざまな供給に接続されてから作業を開始できます。このタイプの「機能部品」クラッディングヘッドは使いやすいため、各国の工作機械メーカーで非常に人気があります。たとえば、日本のマザックのIntegrex i400 AM積層造形旋削・フライス加工センターは、このタイプのクラッディングヘッドを使用しており、その外観を図9に示します。

4 ファブリソニックの超音波積層造形

アメリカの企業であるFabrisonicは、ユニークな産業用3Dプリンターメーカーです。同社はエジソン溶接研究所の特許を活用し、超音波溶接とCNC加工を組み合わせた「超音波積層造形（UAM）」と呼ばれる技術を開発した。超音波積層造形法は、LSA、FDM、SLSなどの積層造形（3Dプリント）プロセスとは異なります。液体樹脂硬化、ワイヤーメルトコーティング、レーザー粉末焼結は使用しません。代わりに、超音波を使用してストリップ金属シートを溶かし、層ごとに積み重ねて、レイヤー製造の原理に基づいた3Dプリントを実現します。超音波積層造形は、層状の物体の選択的薄材料切断（LOM）に似ています。ただし、レーザー輪郭で紙を切断し、層ごとに部品に接着する代わりに、最大20,000 Hzの周波数の超音波が金属シートに適用されます。超音波の振動エネルギーにより、2つの表面が溶接されて互いに擦れ合い、分子層間の融合が形成されます。次に、同じ原理を使用して金属シートが層ごとに連続的に溶接され、同時に、機械処理によって微細な3次元形状が実現され、固体金属物体が形成されます。 Fabrisonic 社の方法を使用すると、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、チタン合金など、さまざまな金属材料を同時に「印刷」できます。超音波溶接の作業温度は非常に低いため、不必要な金属組織の変化は発生しません。このプロセスでは、アルミニウムまたは銅箔のロールを使用して、非常に複雑な内部チャネルを持つ金属部品を作成できます。

ほとんどの金属 3D プリンターは、成形効率が低く、100cm3 未満で、作業スペースが限られています。 Fabrisonic の SonicLayer シリーズ超音波積層造形工作機械の印刷効率は 250cm3 ～ 500cm3 に達します。作業台面積は 1000mm×600mm です。工作機械の外観と作業スペースを図 9 に示します。

図9：超音波積層造形工作機械の外観と作業スペース図からわかるように、SonicLayer 4000超音波積層造形工作機械の構造は2つの部分に分かれています。真ん中の部分はフライス加工用のスピンドルで、出力は19kW、速度は8000r/minです。右側は、金属部品の積層造形に使用される、溶接力1,200kg、最大送り速度5,000mm/minの9kW超音波積層造形溶接ヘッドです。

この超音波積層造形装置は3軸CNC工作機械から派生したもので、溶接工程を任意の時点で停止し、その後機械加工で内部の3次元チャネルを作ることができます。その後、積層造形法を使用して密封されます。

電子機器は熱を発生する傾向があるため、熱管理コンポーネントが設計の重要な部分になることがよくあります。この熱交換器アセンブリは、以前は CNC マシンを使用して製造されていましたが、機械加工では、複雑なチャネルやクロスドリル穴と内部パスの配列を作成する能力に限界がありました。現在、超音波積層造形法は、熱伝導性に優れた複雑な内部通路を備えた金属部品の製造に使用されています。超音波積層造形プロセスは固体であるため、温度は 250°C 未満であり、金属の融点に達しません。超音波積層造形プロセスを使用すると、ワイヤ、リボン、箔、センサー、電子回路、アクチュエータなどのいわゆる「スマート材料」を、損傷を与えることなく高密度金属構造に完全に埋め込むことができ、図 10 に示すように、電子デバイスの設計に新たな可能性をもたらします。

図10: 超音波積層造形の代表的な用途
5 結論 積層造形と従来の切削加工の統合により、3Dプリントを含む従来の加工方法の多くの問題が解決され、製品設計者に新たなイノベーション空間が開かれ、インテリジェント製造における新たな力となりました。

著者: 張淑教授（同済大学現代製造技術研究所）

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