金属3Dプリント部品の加工における課題と解決策

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-7-10 12:08 に最後に編集されました。

多くの 3D プリントされた金属部品は、正確な表面を生成するために機械加工が必要ですが、3D プリントされた部品は複雑な形状の軽量部品であることが多いため、その後の機械加工に課題が生じます。 3D プリント部品を加工する場合、3D プリントの剛性が加工の要件を満たしているかどうか、複雑な 3D プリント部品を固定具を使用してどのように固定するかなど、一連の問題を考慮する必要があります。積層造形の専門家が共有した 3D プリント金属部品の加工事例を通じて、3D プリント部品の加工における課題と解決策について議論しました。

3D プリントは、設計上の制約が少ない柔軟な技術です。3D プリント技術の助けを借りて、設計者は軽量構造や統合機能を備えた統合構造など、複雑な設計ソリューションを実現できます。ただし、積層造形技術のこれらの利点は、その後の機械加工によって生じる課題によって軽減されることがあります。積層造形部品を最初に設計および製造する際に、その後の機械加工の課題が十分に考慮されていない場合、部品の加工不良による損失が発生する可能性があります。

3D プリントされた部品は、他の部品と組み立てる前に、正確な丸い穴と滑らかで平らな表面を実現するために機械加工される必要があることがよくあります。しかし、3D プリント部品の複雑な軽量構造は、剛性が不十分なために加工プロセスにうまく適応できない場合があります。さらに、構造が複雑なため、ワークピースを安全にクランプすることが難しくなります。

仕上げの挑戦
1. 3D プリントされた部品は、加工中に受ける負荷に耐えられるほどの剛性がありますか?部品が工具から離れて振動し、工具が振動して加工結果が悪くなることはありませんか? 3D プリント部品の剛性が機械加工の要件を満たすのに十分でない場合、これらの問題を解決するためにどのようなソリューションを使用できますか?

2. 剛性の問題が解決したら、次の課題はそれを工作機械上でどのように調整するかです。 3D プリントされた部品は、印刷プロセス中に変形したり、明確なベンチマークが欠如したりする可能性があります。つまり、3D プリントされた部品を加工するときは、まず部品の「良好な」部分を見つける必要があります。部品の最適な 5 軸アライメントを取得することは非常に重要です。

レニショーは、機械加工前の準備から部品の最終仕上げまで、合計 9 つのステップを含む、金属製 3D プリントマイクロ波ガイドロッドを使用した 3D プリント部品の仕上げにおける課題と解決策を検討しました。

左の写真は、従来の設計思想と製造方法を使用して作られた、複数の部品から組み立てられたガイドロッドを示しています。右の写真は、統合された部品であり、元の部品の半分の重さである 3D プリントされたガイドロッドを示しています。通信衛星用に設計された部品です。この部品に求められる主な性能は、軽量化とマイクロ波伝搬効率の向上、衛星搭載用部品のスペース要件の削減です。

解決
ステップ 1 - 予想される切削力を確立する まず、3D プリントされた部品が機械加工に十分な剛性を備えているかどうかを評価する実験が行われました。

Dyno データは繰り返しパスの負荷を示しており、ピークの力は中央値の約 2 倍であることがわかります。さまざまな切削深さを試して、部品の負荷にどのような影響があるかを確認することもできます。

ステップ2 - 切削力をシミュレートする

シミュレーションプロセス中に、部品の自由端の周囲のフランジエッジを機械加工すると、大きなたわみ (150 ミクロン以上) が発生することが判明し、有限要素解析でも大きな歪みが示され、不均一な切断につながる可能性があることが判明しました。

ステップ 3 - 初期切断テスト 上記のような条件で加工を行うと、部品が工具から外れて跳ね返ったり、面振れや工具振動などの問題が発生します。これらの問題の結果、表面仕上げが悪くなります。

これらの問題の解決策は、切断中の部品の剛性を高めることです。剛性を向上させるには、3D プリント部品の設計を調整することと、加工時のクランプ方法を変更することの 2 つの手順があります。まず、デザインを調整することでこれらの問題をどのように解決するかを理解しましょう。

ステップ4 - 3Dプリント部品の設計を変更して加工の課題に対処する

3D プリント部品の設計変更の目的は、部品の強度を高めることです。この場合、設計者は部品の両端のコンポーネントを接続するサポート構造を追加して、切断テストで見られる欠陥を減らしました。

あるいは、両端部の間に接続トラス構造を追加するという、より複雑な方法もあります。剛性を高めるために設計を微調整することの欠点は、部品の体積が増加し、他のコンポーネントに使用できるスペースに影響を与え、設計全体の効率が低下する可能性があることです。注目すべきもう 1 つの問題は、従来のワークピースのクランプ方法では、調整された設計部品が依然として加工要件を満たせないことが多いことです。このとき、部品のクランプ方法を再検討する必要があります。

ステップ 5 - 部品の固定方法を再検討する この場合、再クランプ方法の具体的な解決策は、3D プリント部品用のカスタマイズされた固定具を設計し、カスタマイズされた固定具を 3D プリント装置で直接製造することです。これにより、部品の変形や表面損傷のリスクが軽減され、3D プリント部品が処理機能に近づき、たわみや振動が軽減されます。

ステップ6 - カスタムフィクスチャのモデリング

設計者は、固定具内の 3D プリント部品に対して有限要素解析を実行中に、部品内の「直線」構造をよりしっかりと固定することで剛性をさらに向上できることを発見しました。

ステップ7 加工準備 3Dプリント部品の設計調整とカスタマイズされた治具の設計・製造が完了したら、機械加工の準備段階に入ります。

写真は、後続の加工のための 5 軸アライメントを作成するために、柔軟なゲージで測定されているトポロジー最適化された 3D プリント部品です。

このプロセス中に、機械軸の直線運動と回転運動が精密部品の製造に必要な許容範囲を超えると、エラーが発生します。この場合、エンジニアは Renishaw タッチプローブと計測ソフトウェア NC-Checker を使用してこれらの問題を特定し、監視しました。

ステップ 8 - パーツのセットアップ 従来の機械加工では、多くの場合、最初に基準面を作成し、その後これらのフィーチャを使用して、後続の機械加工操作のために部品の位置合わせと配置を行います。ただし、この場合の 3D プリント部品の場合、他のすべてのサーフェスが生成された後に、最終的な加工操作に精度データを追加する必要があったため、従来の方法では実行されませんでした。

3D プリントされた部品をセットアップする際の課題は、部品の実際の形状に合わせてセットアップすることです。これには、加工代、部品の変形などの要素を考慮しながら、精密な機能を切削する予定のすべての領域で部品の材料の状態を理解することが含まれます。この場合、デザイナーは、一貫して効率的に切断できるように、これらすべての場所に十分な材料を残すようにしました。このステップでもプローブと計測ソフトウェアを使用して、仕上げに最適な設定を見つけることができます。

3D プリントされた部品を仕上げるためのセットアップを実行する別の方法は、ショップでプログラム可能な仕様を使用して部品を測定し、位置合わせを実行することです。この方法は、より大規模なアプリケーションに適しています。

ステップ 9 - 機械加工 上記の 8 段階の準備により、結果として得られるコンポーネントは、重要な寸法が許容範囲内にあり、表面仕上げが良好になります。以前の機械加工および切削試験と比較して、工具の振動と摩耗が大幅に減少しました。

機械加工は金属 3D プリントのプロセスチェーンの一部であることが多いですが、課題やリスクを伴うプロセスでもあります。機械加工が失敗すると、貴重な 3D プリント部品が廃棄されてしまいます。 3D プリント部品を設計する際に機械加工の課題を考慮すると、故障のリスクを軽減するのに役立ちます。

出典: 3Dサイエンスバレー

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