【分析】積層造形と切削造形を融合した複合加工技術

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-5-4 14:24 に最後に編集されました。

積層造形（3D プリント）と切削造形を組み合わせると、両方の長所を活かすことができるため、ますます人気が高まっています。これまでにも、このような混合処理装置は数多く登場しています。次に、Antarctic Bear は、付加製造と減算製造に基づく複合加工技術を分析します。
従来の減算製造と比較して、付加製造には次の利点があります。

1. 溝、肩、部品内の複雑な内部流路など、より複雑な形状の自由曲面や部品を迅速に製造できます。
2. 材料の利用率が高く、特に高価な希少材料の場合、コストを大幅に削減できます。
3. 高度に自動化されており、人間の介入は最小限に抑えられています。
4. 加工効率が高く、特に加工が難しい材料でも、製品のソリッドモデルや金型を素早く製造できます。

RP 技術の研究は 1980 年代半ばに始まりました。初期のRP技術は主に構造、組み立て、製品機能の検証とテストに使用され、使用される材料はプラスチック、紙、ポリマーなどに限られていました。例えば、SLA（光造形法）、SLS（選択的レーザー焼結法）、FDM（熱溶解積層法）、LOM（積層造形法）などの技術が広く商品化されています。技術の発展に伴い、RP 技術の研究は、金属、セラミック、合金、さまざまな機能性複合材料などの材料を使用した機能製品の直接成形にますます重点が置かれるようになっています。これらの技術には、レーザークラッディング、3WElding、LENZ (レーザー近接成形製造)、DMD (直接金属堆積製造)、SLM (選択的レーザー溶融)、PDM (プラズマ堆積製造)、EBM (電子ビーム溶融製造) などがあります。

ただし、ほとんどすべての RP テクノロジでは、形状精度と表面仕上げが理想的ではなく、熱処理、機械加工 (フライス加工、穴あけ加工)、研磨などの後処理が必要になります。これは、離散化プロセス自体が主に STL 形式と 2 次元レイヤー化テクノロジを使用するため、寸法エラーやステップ効果が発生するためです。一般的に、層の厚さが薄いほど精度は高くなりますが、必要な時間も長くなり、コストも増加します。従来の機械加工、特に CNC 機械加工は、高精度、高効率、優れた加工柔軟性、簡単なプロセス計画などの特徴があり、前述の RP 技術の欠点を補うことができます。したがって、積層造形（RP）と切削造形（CNC）を効果的に組み合わせることで、幅広い応用が期待できる新しい複合加工技術が生まれます。図 1 は、積層造形と切削造形の特徴を組み合わせた技術的な利点を示しています。

1. 積層造形と切削造形をベースとした複合加工技術の原理と特徴<br /> 積層造形と切削造形をベースとした複合加工技術は、ものづくり志向の製品設計段階、ソフトウェア制御設計段階、加工段階から積層造形と切削造形を組み合わせた新しい技術です。この技術は、図2に示すように、「離散蓄積制御」成形原理に基づいて材料を追加/削除するプロセスです。まず、最終的な機能部品の3次元CADモデルがコンピューターで生成されます。次に、モデルは一定の厚さに応じて層にスライスされます。つまり、部品の3次元データ情報は、一連の2次元または3次元の輪郭ジオメトリ情報に変換されます。層ジオメトリ情報は、堆積パラメータと加工パラメータと統合され、走査パスCNCコードを生成します。成形システムは、堆積された材料をスキャンし、輪郭の軌跡に従って層ごとに処理制御（輪郭または表面を加工）します。最終的に、3次元のソリッド部品が形成されます。

複合加工技術の原理から見ると、この技術の基本的な考え方はRP技術の考え方と一致しており、その本質はCADソフトウェアによって駆動される3次元の積層および加工プロセスです。加工制御により段差効果を排除し、精度を確保しているため、堆積工程中に大ノズルや厚膜などの低解像度堆積を採用し、処理速度を上げることができます。基本的な複合加工ラピッドプロトタイピングシステムは、3軸または5軸CNC垂直加工センター（ほとんどのRPシステムは垂直構造であるため、加工センターも垂直構造である必要があります）、堆積製造部品、供給システム、ソフトウェア制御システム、および補助システムで構成される必要があります。

2 積層造形と切削造形をベースとした複合加工技術の研究と分析<br /> 積層造形の発展とその限界の出現により、世界中でますます多くの学者や研究機関が、積層材料と積層材料に基づく複合加工と製造に注目するようになっています。中国と比較すると、付加製造と除去製造に基づく複合加工技術の研究はより早く始まり、国際的にもより多くの内容をカバーしています。しかし、一般的に、この技術はまだ研究と探究の段階にあります。

2.1 形状積層造形（SDM）
形状堆積製造技術は、米国スタンフォード大学で初めて研究開発されました。彼らは除去法と付加法を組み合わせて独自のSDM技術を形成しました。使用される材料は、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニウム合金、銅合金など、成形材料と支持材料に分かれています。形成された部品は非常に高い精度を持っています。基本的なプロセスを図 3 に示します。各層の材料を堆積した後、部品またはサポート材料の層を CNC 加工 (3 軸または 5 軸の加工センター) で部品の表面形状に加工し、次の層を堆積して、最後にサポート材料を除去します。

SDM 材料追加プロセスは、部品の材料に応じてさまざまな方法を採用できます。その幾何学的積層方法では、図 4 に示すように、必ずしも平面ではなく、任意の厚さの 3 次元幾何学的積層を採用できます。したがって、部品の精度は層の厚さに依存しません。厚い層を使用すると部品の製造速度を上げることができ、従来のラピッドプロトタイピング方法で製造された傾斜面を持つ部品によく見られる段差効果を排除して、滑らかな部品表面を得ることができます。 Jorge らは、バイオニックロボットへの SDM 技術の応用を研究し、図 5 に示すように、機能勾配と埋め込み構造を備えたコンポーネントを準備しました。

2.2 金型形状積層製造（MoldSDM）
金型形状堆積製造は、形状堆積製造から進化したものです。 MoldSDM の特徴は、図 6 に示すように、まず SDM 方式で金型を準備し、次に射出成形/鋳造を実行することです。 MoldSDM 成形プロセスには、サポート材料、金型材料、部品材料の 3 つの異なる材料が必要です。サポート材料部分は金型キャビティを定義し、サポート材料を囲む金型材料部分は金型自体を定義します。プロセスは、SDM 技術を使用したレイヤーごとの成形 (ステップ 1 ～ 4)、サポート材料の除去 (ステップ 5)、射出成形/注入 (ステップ 6)、金型材料の除去と最終成形のための機械加工 (ステップ 7 と 8) の 4 つのステップに簡単に分けることができます。 MoldSDM技術がSDM技術より優れている点は、最終部品が射出成形/鋳造で形成されるため、成形部品に層境界線が存在しないことです。金型（5段）には2つの層境界線があり、サポート部（3段と4段）には1つの境界線があります。特に、欠陥が発生しやすく、層間密着性が悪いセラミックなどの材料に適しています。加工が難しい材料の場合、機械加工部分を大幅に削減できます。

MoldSDM は、高性能な機能部品だけでなく、傾斜機能材料を使用した組み立て済みコンポーネントや部品も製造できます。成形部品の品質は、主に金型とサポート材料の材料特性に依存します。主に、膨張率と収縮率が低いと、成形部品の反り変形が軽減されます。接着が良好であれば、より大きな切削力に耐え、切削力による変形への影響を軽減できます。化学的適合性が高いと、より均一な微細構造が得られます。除去性に優れたサポート材料を使用すると、サポートの除去が成形部品に与える影響を軽減できます。

ただし、MoldSDM テクノロジーには次のような欠点があります。
まず、使用できる材料の種類が限られています。成形工程で追加材料が加えられるため、良好な適合性と加工性が求められ、使用できる材料の範囲が制限されます。
第二に、追加の射出成形部品と金型取り外し部品により、成形プロセス時間が長くなります。
3つ目は、成形部品のサイズが小さいことです。

2.3 制御金属堆積技術（CMB）
ドイツのフラウンホーファー生産技術研究所は、材料の追加と除去の方法を統合した制御金属積層（CMB）技術を開発しました。この技術の原理は、CMBシステムにミリング装置が装備されている点を除いて、LENS/DLFの原理に似ています。スキャンして層を堆積した後、ミリングを使用して各層の表面輪郭を加工して滑らかにし、部品の精度と表面仕上げを向上させます。ステンレス鋼部品の製造では 100% の密度を達成できると報告されています。このシステムの積層プロセスでは、同軸ワイヤ供給レーザークラッディング技術が使用され、使用される材料はすべて溶接可能な金属です。

CMB システムの本体は 3 軸垂直フライス盤で、スピンドルの隣に堆積部 (レーザー光源、ワイヤ供給機構、ガス保護装置を含む) が設置されています。プロセスは、図 7 に示すように、堆積-ミリング-堆積です。フライス加工中、空気圧装置が堆積装置を駆動して上方に移動し、堆積装置を保護し、ワークピースとの干渉を排除します。各層は酸化を防ぐためにガス保護を施して堆積され、堆積後に平面フライス加工と輪郭フライス加工が行われて輪郭と表面の精度が確保されるため、最終的な成形部品は高精度で、部品内部の欠陥はほとんどありません。ドイツのフラウンホーファー生産技術研究所が製造したCMBシステムは主に金型製造に使用され、部品の成形サイズは600mm×600mm×600mmに達し、精度は0.02mmに達します。現在、技術研究所は、5軸または6軸の加工センターをベースにした高度に自動化されたCMB技術の開発と研究に取り組んでいます。

2.4 クラッディングに基づくハイブリッド加工システム（ArcHLM）
インド工科大学のAkulaらは、クラッディングに基づくハイブリッド処理システムを研究しました。 ArcHLM システムは、パルス不活性ガスシールド溶接機を 3 軸 CNC 工作機械に統合し、カスタマイズされたソフトウェアシステムを通じて制御します。基本的なプロセス (図 8 を参照) は CMB 技術と同じですが、層の堆積とスキャンの後、ニアネットシェイプ部品が完成するまで平面フライス加工 (欠陥と酸化層を除去して、事前に設定された厚さに達するようにするため) のみが実行され、最後に輪郭フライス加工 (段差効果を排除し、寸法精度と表面仕上げを確保するため) が実行される点が異なります。

このシステムの利点は、自動化の度合いが高いこと、材料が溶接材料であるため経済的で高速（堆積速度 50 ～ 100 g/分）、安全であること、溶接ヘッドが主軸に取り付けられているため変更が容易であること、成形精度が高く表面品質が良好であることです。 ArcHLM システムは熱入力が低いため、成形品質が向上しますが、成形時間は短くなります。レーザー堆積成形ではなく表面処理を使用するため、過度に複雑で微細な構造の部品には適しておらず、異なる組成や組織を持つ傾斜機能材料構造を形成することはできません。図9はArcHLMデバイスを示しています。 ArcHLM プロセス全体は、図 10 に示すように、部品のニアネットシェイプ成形、熱処理、ニアネットシェイプ部品の仕上げの 3 つの部分に分けられます。

部品のニアネットシェイプ成形の手順は次のとおりです。
最初のステップでは、ゼロ次近似エッジと適応型レイヤリング（可変厚レイヤリング）技術を使用して下から上にレイヤリングし、各レイヤの堆積スキャンパスとフェースミリングパス、および相互に変換された M08 および M09 コードを生成します。
2 番目のステップは、可能な限り厚いベースボードを取り付けることです。
3 番目のステップは、プロセスパラメータ (電力、溶接材料の直径、スキャンモード、層の厚さ、溶接幅、加工代、スキャン速度、フライス加工パラメータ、Z 軸制御パラメータなど) を設定することです。
第 4 ステップでは、大きな熱入力に耐えられるように基板上に厚い底層を堆積し、良好な粒子サイズ分布を得るために基板を予熱します。
第 5 ステップでは、各層を平面ミリングして欠陥を排除し、酸化層を除去して良好な表面品質を実現し、設定された層厚を実現します。
ステップ 6: ニアネットシェイプが完成するまで、ステップ 4 と 5 を繰り返します。プロセス全体を通じて熱処理が行われ、部品の内部応力が除去され、機械的特性と疲労寿命が向上します。ArcHLM ソフトウェアによって生成された NC コードがフラットヘッド/ボールヘッドフライスカッターを駆動し、上から下まで仕上げを行って、輪郭面やその他の表面の加工を完了します。

図 11 は、ArcHLM ソフトウェアシステムによって生成された NC コードを示しています。 Akula チームと同様に、韓国科学技術研究院の Yong-AkSong チームも 3 次元溶接およびフライス加工複合加工システムを開発しました。そのプロセス原理と本体は基本的に ArcHLM と同じです。このシステムの各層の堆積厚さは 0.5 ～ 1.5 mm の範囲で、フライス加工後は 0.1 ～ 1 mm になります。表1はSLS、LENS、3DWMのプロセス比較パラメータを示しています。

2.5 選択的レーザークラッディング複合加工（HSLM）
国立台湾科技大学のジェンキンス・イワン氏らは、選択的レーザークラッディングおよびミリング複合加工技術を使用して、金属部品の直接ラピッドプロトタイピング、修復、および修正に関する研究を実施しました。システムの設計構造を図12に示します。これは、RS8201.5KWCO2レーザー、同軸粉末供給システム、4軸リンク処理および制御システム、システムソフトウェア、およびガス保護装置で構成されています。ワークピースはレーザーヘッドに比較的近いため、堆積スキャンプロセス中に大量の熱が発生し、溶融粉末の流動性に影響を与え、部品の成形品質に悪影響を及ぼします。そのため、システムでは新しいタイプの水冷ノズルを使用します（図13を参照）。

このシステムのソフトウェア機能は、各種パラメータの設定、モデルの離散化、スライスと層別化、走査パス、フライス加工パス、コード生成、ワークピースの移動、関数変換など、HLM や他のソフトウェアと同じです。基本的なプロセスは HLM および CMB テクノロジと同じですが、効率を向上させるために、システムは平面フライス加工を実行する前に、設定された厚さに達するまで 2 層または 3 層を堆積します。成形工程中、金属粉末は溶融状態にあり、表面張力の影響により、クラッド断面は円弧状になります。また、粉末流の流速が速すぎるか、直径が大きすぎるため、未溶融の粉末堆積が発生します。次の層を堆積させるとき、溶融粉末は前の層の表面に沿って流れ、以前に堆積された未溶融粉末を溶かします。その結果、堆積の高さがわずかに増加し、表面の曲率が大きくなります。この状況は、3 番目の層を堆積するときにさらに顕著になり、最終的にクラッド層の高さの増加が止まります。このシステムでは、2 層または 3 層を堆積した後に平面フライス加工を採用しており、この問題をうまく解決し、成形効率と品質を保証します。同軸粉末供給レーザークラッディングプロセスを使用しているため、このシステムは成形部品の精度が比較的高くなります。

2.6 超音波積層造形（UAM）
超音波積層造形（UAM）技術は、超音波溶接とCNC加工を組み合わせた固体複合加工技術です。材料は金属箔です。基本的な原理は、超音波の振動エネルギーを利用して、溶接する 2 つの表面を互いに擦り合わせ、分子融合の固体溶接プロセスを形成することです。 1 層または複数層を積み重ねた後、CNC 技術を使用して余分な材料を除去し、理想的な幾何学的サイズと精度を実現します。次に、別の層を積み重ね、図 14 に示すように、完全な部品が得られるまでこのサイクルが続けられます。 UAM 技術の利点: 飛散や酸化がない。銅、銀、アルミニウム、ニッケルなどの非鉄金属を含む幅広い成形材料に対応。異なる材料を組み合わせて傾斜機能を形成。機能部品と特殊構造を統合可能。図15は光ファイバーが埋め込まれたUAM成形部品を示しています。

Stuckerらは、結晶塑性有限要素モデル（DDCP-FEM）フレームワークに基づく転位密度技術を革新的に使用して、UAM成形におけるAl3003□H-18サブグレインの形成メカニズムを研究し、正確な予測を示しました。 James らは、UAM 成形におけるスティックスリップ運動の動的解析を実施しました。 UAM 技術が商業化段階に入った今、ドイツの Fabrisonic 社は 2013 年 12 月に 2 つの新しい超音波 3D プリンター、UAM Soniclayer 4000 と 7200 を発売しました。

2.7 その他の研究状況武漢理工大学の熊欣宏氏のチームは、材料の追加と除去の方法を統合したHPDM技術を研究しました。この技術の原理は、基本的にCMB技術と同じです。違いは、このシステムの積層造形部分に粉末ベースのマイクロビームプラズマラピッドプロトタイピング技術が採用されていることです。ArcHLMと比較して、HPDM技術はプラズマ形成技術を使用しており、熱入力が高く、スポット半径が小さく、エネルギーが集中しているため、堆積速度が速くなります。イオンビームの品質は非常に安定しているため、自動化の度合いが高く、ノイズが小さいですが、コストはArcHLMよりも高く、溶融池の形成に粉末が使用されるため、成形プロセスの制御がより困難です。 HPDM技術は、CMBやレーザーや電子ビーム成形を使用する他の技術と比較して、コストが低く、走査経路の制御が容易ですが、光スポットが大きく、成形精度が低く、形成された構造が細かくありません。 Mohammad Pervez Mughal らは、表面処理に基づく複合材成形技術におけるフライス加工が材料特性に与える影響を研究しました。彼らは、表面処理に基づく複合成形技術を使用して、2 種類の試料を準備しました。1 つの試料は、成形プロセス中に各層の堆積とスキャンの後に平面ミリングされ、もう 1 つの試料はミリングプロセスを受けませんでした。

2つのサンプルの微細構造、硬度分布、引張試験結果を比較することにより、フライス加工が成形材料の性能に与える影響と効果を分析し、フライス加工は成形部品の微細構造の形態と分布、硬度分布に大きな影響を与えるが、降伏強度には基本的に影響がないという結論に達しました。韓国のソウル国立大学の Zhu Hu Hu、Kunwoo Lee らは、積層および切削複合材製造用のソフトウェアシステムに関する広範な研究を行ってきました。彼らはまず、製造工程における堆積特性とフライス加工特性を総合的に考慮し、それらを最適化して加工方向を決定する、加工方向を決定するための新しいアルゴリズムを提案しました。加工方向を決定した後、凹面エッジ認識に基づくレイヤリングアルゴリズムを研究しました。この方法は、ツールの加工性、最大層厚、最小層数などの要素を総合的に考慮します。実験により、この方法は層が少なく、幅広い応用の見通しがあることが示されました。

日本の松浦機械工業株式会社は、レーザー焼結とフライス加工技術（SLM焼結+フライス加工）を組み合わせて高精度の成形効果を実現する商用LUMEXA-vance-25複合軽量成形機を発売しました。主に金属軽量成形複合加工を部品のラピッドプロトタイピングに使用し、レーザー焼結、切断、深層強化加工、多孔質モデリング、3次元冷却水路を実現し、3Dメッシュ、時間の短縮、コストの削減、3D自由曲面、統合構造などの利点を備えています。複合光加工機は、エンドミルによる金属の光加工と高速・高精度な切削を繰り返し行うことができ、マシニングセンターに匹敵する寸法精度と面粗さを実現します。

3. 加法混成材料による複合加工技術の開発方向<br /> 積層造形技術と切削造形技術の利点を統合した積層造形と切削造形材料に基づく複合加工技術は、異なる材料で作られた高精度、高品質の複雑な形状の部品を迅速に準備し、製造サイクルを短縮し、材料を節約し、コストを削減し、製品の競争力を高めることができます。特に、複雑な形状、多品種、小ロットの部品の製造に有益であり、幅広い応用の見通しがあります。しかし、加法混成材料による複合加工技術の研究は始まったばかりであり、また、比較的広範囲の技術分野にまたがるため、関連分野や技術の総合的な研究を経て初めてこの技術に対する支援が形成される。具体的には、以下の点が今後継続すべき方向性である。

（1）ソフトウェアシステムの研究開発。現在、複合加工システムソフトウェアはすべてラピッドプロトタイピング技術ソフトウェアをベースに改良・統合されており、その基本プロセスはラピッドプロトタイピングソフトウェアと基本的に同じですが、これでは複合加工技術の利点を十分に引き出すことができません。今後のソフトウェア開発は、複合加工技術そのものの特性を踏まえ、モデル設計、離散階層化処理、パス生成・制御から加工完了までの全プロセスを体系的に統合する必要があります。
（２）制御システムの研究開発成形プロセス中、部品は堆積機能と機械加工機能の間で絶えず変換されるため、機械加工座標系も絶えず変化し、ツールと堆積の正確な位置決めと制御が特に重要になります。しかし、現在、加法材料と減法材料をベースとするほぼすべての複合加工システムには、フィードバック制御がほとんどありません。そのため、加工プロセスのリアルタイム検出とフィードバックを実現して閉ループ制御を形成する方法については、さらなる研究が必要です。
（３）成形サイズの拡大上述の付加的材料と減算的材料に基づく複合加工技術は、主に金型、機能構造部品、埋め込み構造部品などの構造寸法が小さい成形部品に使用されており、まだ大きな構造部品を形成することはできません。
（４）プロセス統合成形部品は特性が異なるため、堆積プロセスや使用する材料も異なります。さまざまな堆積プロセス機器を統合し、協調的かつ効率的な操作を確保する方法は、検討が必要な課題です。

積層造形は、その独自の技術的利点によりますます注目を集めていますが、その応用と発展を制限する多くの欠点もあります。そのため、積層造形と組み合わせた複合加工技術が徐々に研究の焦点になってきました。本稿では、加法複合加工と減法複合加工の原理の説明を踏まえ、各種複合加工技術の原理と特徴を詳しく紹介する。既存の複合加工技術の現在の研究状況をまとめ、今後の研究の方向性を指摘します。

編集者: Antarctic Bear 著者: Ma Lijie、Fan Hongli、Lu Jiping、Pang Lu (北京理工大学機械・車両工学部)

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