積層造形と切削造形のハイブリッド加工技術の分析

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-5-4 09:47 に最後に編集されました。

部品を付加的に製造するか、減算的に製造するかを検討する場合、通常はその複雑さを考慮します。非常に複雑な部品の場合、複雑な内部構造と機能を備えた部品を完全な幾何学的自由度で構築できるため、積層造形は避けられない選択肢となります。 CNC 加工に基づく減算製造では、規則的な形状の部品に対して高い生産効率と非常に厳しい許容誤差を実現できます。したがって、部品が複雑であればあるほど、積層造形技術に適しています。部品の仕様でより厳しい許容誤差が求められる場合は、通常、従来の方法が必要になることに注意してください。

ただし、どちらの方法にもそれぞれ利点と制限があります。レーザー焼結積層造形法では、基本的にレーザービームを使用してツールパスに沿って高価な粉末を溶かし、一度に 1 層ずつ部品を作成します。このプロセスは、従来の CNC 金属加工よりも少なくとも 1 桁遅くなります。減算型製造の速度を達成するには、3 次元の各層の厚さとのトレードオフが必要です。エネルギー入力を増やしたり、粉末層を厚くしたり、造形速度を速くしたりすることで生産性を高めることができますが、表面仕上げは悪くなります。あるいは、より小さな層を積み重ねてより良い表面仕上げを実現する、低速のプロセスを受け入れることもできます。

よりよい表面仕上げを得るために、より薄い層を積み重ねる、より遅いプロセスを受け入れることも可能かもしれません。一部のタイプの CNC マシンプラットフォームでは、堆積後の手順も必要です。ここで、付加製造と減算製造の間の「闘争」が起こります。これら 2 つの技術は、補完的というよりは競合するものと考えられています。そして今、私たちはそれらの間に「橋」を築きました（左の写真を参照）。

ハイブリッド処理技術は、純粋な付加製造から減算製造まで、包括的なオプションを提供します。ハイブリッド加工は、これら 2 つの技術を融合して材料を印刷し、既存の部品に金属を追加し、部品をゼロから構築し、それらを融合できる「橋」です。

混合処理<br /> ほとんどの場合、積層造形された部品は従来の加工の要件を満たすことができません。一部の機能では、直接材料を堆積するだけでは実現できない表面仕上げや許容誤差が必要になります。 CNC マシンに指向性エネルギー堆積を追加すると、金属 3D プリントの高度な機能と従来の CNC 加工の表面仕上げが組み合わされます。

このハイブリッド加工システムは、より厚い堆積層を可能にし、同じ機械内で表面仕上げを改善することで、積層造形の生産性を最大化できます。非常に精密な工作機械と調整された堆積ノズルを組み合わせることで、機械は部品を最初から印刷したり、既存のワークピースに材料を追加してコマンドに従って処理したりすることができます。少し印刷してから、ノズルをフライス加工ツールに切り替えて機械加工を行い、次の層の堆積のために表面を準備してから、ノズルに戻って次の層の材料を堆積することができます。または、完成した部品が完成するまで印刷し、その後部品を機械加工することもできます。

三井精機のハイブリッド加工システムは、精度 15μm の 5 軸加工センタープラットフォームと、15,000 ～ 30,000 rpm の CAT または HSK スピンドルを備えています。スピンドルと整合したノズル、ファイバーレーザー、粉末供給システムを加工センターに統合することで、従来の CNC 加工と積層造形を切り替えることができるハイブリッド加工システムを実現します。

ノズルは他の従来のフライス加工ツールと同様にツールチェンジャーに直接装着され、複数のノズルによりさまざまな粉末流量とレーザー加工プロセスをサポートできます。その他のノズルの潜在能力は、局所的な熱処理、表面洗浄、部分的な乾燥、冷却剤の燃焼、次の層の表面処理、さらにはレーザー穴あけやレーザー切断にも最大限に活用できます。このハイブリッド処理アプローチにより、部品全体を最初から印刷したり、既存の部品に材料を追加したり、摩耗した部品をリサイクルして耐摩耗性を向上させたり、損傷した部品を修復したりすることができます。

アプリケーション<br /> この技術は、航空機エンジンのタービンのメンテナンス（高圧タービンコンプレッサーブレード、低圧ブレード、タービン、大型インペラー、高圧タービンセクション）に適用できます。これは、30 年以上にわたって、特定のケースで大きな効果を発揮してきました。しかし、現状では部品の修理と溶接後の処理を同じプラットフォーム上で効率的に行うことは不可能です。既存の部品をスキャンするために、積層造形プロセスにオフマシン検査システムを追加できます。

このスキャンにより、CAD モデルのバージョンのポイントクラウドデータが生成されます。その後、ツールパスが自動的に生成され、付加製造と減算製造の間で部品を変換する準備が整います。私たちの目標は、最終的にはエンジニアリングの介入なしにこれを実現し、1 つのプロセスが次のプロセスに正しく流れるようにすることです。

この技術は、従来の機械加工環境では機械の故障や工具の破損により廃棄されるはずだった部品の修理にも使用できる可能性があります。数十万ドルの価値がある部品を廃棄するよりも、修理する方が明らかに経済的です。同社は、破損したワークピースのスキャンデータを CAD ファイルと比較し、付加的/減算的な製造ツールパスを生成して損傷を修復できます。

将来のレーザーオプション<br /> 三井精機のハイブリッド加工センターは、レーザーヘッドと切削工具を同様に置き換えることができます。
レーザー焼結では通常、マイクロミリングによって材料を除去するのに 100W のレーザーのみが必要です。レーザー蒸着に通常使用される 2kW レーザーは、100W まで縮小できません。しかし、将来的には、高出力レーザーと低出力レーザーを柔軟に切り替えることができるシステムを構築できる可能性があります。将来のシステムでは、レーザー焼結、積層造形堆積プロセス、従来のレーザー金属除去を使用した部品のマイクロミリングが可能になります。

初期の積層造形法<br /> 積層造形プロセス全体はまだ開発の初期段階にあります。多くの企業が積層造形に多額の資金を費やしてきましたが、効果的な解決策を得られていません。夢中になるのはやめましょう。レーザー業界は、その初期の頃、今では実現不可能な多くの約束をしました。開発者が産業用ソリューションをうまく作成するには、プロセス制御と優れたシステムが不可欠です。しかし、当初はレーザーと光学系は明らかに機能していませんでした。レーザー分野ではこの過ちを繰り返さないようにしなければなりません。

出典: Modern Laser Industry 詳しい情報:
オートデスクなど、世界最大の積層造形と切削造形を組み合わせたハイブリッド製造3Dプリント装置LASIMMを共同開発
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