[事例] 3DプリントされたPSU複合プラスチック金型を使用して大型ヘリコプター構造物を製造

▲3Dプリントされた金型から作られたプラスチック製ヘリコプターの部品
ヘリコプターの構造物などの大型部品は、通常、数トンから数十トンの重さの金型を使用した射出成形によって製造されます。しかし、この方法はコストがかかるだけでなく、要求も高いです。例えば、工作機械の作業台は重い重量に耐えることができなければなりません。設備は大きな耐荷重性と高い剛性特性を備えていなければならず、それに適応するためには十分に大きなテーブルサイズと作業ストロークが必要です。金型の製造に使用される高速万能フライス盤は、工作機械の位置決め精度、追跡精度、耐振動性を向上させるために、高い動剛性と静剛性を備えていなければなりません。

また、金型の強度や硬度が高く、金型キャビティの加工には伸びの大きい小径エンドミルが使用されることが多いため、加工中にビビリが発生しやすくなります。

▲3Dプリントされた金型
3D プリント技術は、大規模な金型製造に新たな参入ポイントをもたらします。 PSU プラスチックを例に挙げてみましょう。このプラスチックは蒸気や加水分解に耐性があり、無毒で、高温蒸気滅菌にも耐性があり、透明性が高く、寸法安定性に優れています。これにより、PSU プラスチック金型を 3D 印刷技術で処理し、射出成形で最終製品を完成させることも可能になります。これは、大きな部品を少量ずつ準備するための、高速で優れた経済的な近道です。

最近、パデュー大学の複合材料製造およびシミュレーションセンター、Thermwood Corporation、Applied Composites Engineering (ACE)、および Techmer PM の合同チームが、PSU 複合材料金型を 3D プリントしてヘリコプター部品を射出成形するという目標を達成しました。

炭素繊維強化 PSU プラスチックが 3D 印刷プロセスでうまく使用されたのは、これが初めてかもしれないと報告されています。 Thermwood の Large Additive Manufacturing (LSAM) システムでは、3D プリントと機械加工により、金型を 1 回で製造しました。

チームの各メンバーは、ヘリコプターの部品の製造において重要な役割を果たしました。高性能カスタムポリマーの製造会社である Techmer PM は、専門的な PSU 材料を提供しました。Thermood は、LSAM テクノロジーを提供しました。そして、航空宇宙産業に特化した複合材料のスペシャリストである ACE は、3D プリントされた金型を使用して最終的なヘリコプターの部品を作成しました。

3Dプリント方式と従来の製造方法を比較するために、研究チームは2つの製造方法の経済分析を実施しました。分析結果によると、3Dプリント金型の材料は標準金型材料より34％安く、労働時間の観点からの生産速度は69％向上しています。従来の金型製造では8日かかりますが、3Dプリント金型はわずか3日で製造できます。

PSU 材料を金型として使用できるのは、主に、PSU 処理プロジェクトに必要な高温とトルクレベルに到達できる LSAM の強力な押し出しシステムによるものです。

Thermwood が開発した LSAM システムは、積層造形と機械加工を巧みに組み合わせたものです。3D プリントで大まかなモデルのアウトラインを完成させ、CNC フライス盤を使用して部品を正確な寸法に加工します。3D プリントプロセス中に、機械加工と切断を同時に行うことができます。ヘリコプター部品の金型の製造に使用されるこの大型 3D プリンターの構造容積は 10×20 フィートです。

その後、ヘリコプターの部品はオートクレーブ内で 275°F および 90 PSI で成形されます。 3D プリントされた金型は真空状態のままで、特別なコーティングは不要です。また、Tg (ガラス転移温度) が 372°F であるため、この特定の PSU 複合材料配合は、350°F までの部品射出成形環境要件を満たすことができ、3D Science Valley によると、これは現在処理される複合部品の約 95% に十分な温度です。もちろん、高温での材料の適合性と耐久性を判断するには、追加のテストが必要になります。

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出典: 3Dサイエンスバレー

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