鋳造における3Dプリント技術の産業応用が未来を変える

中国は製造業の発展と転換・グレードアップを促進するため、「中国製造2025」計画を打ち出しており、当社の10年前の長期発展計画もこの計画と一致しています。両計画は、技術革新とハイエンドのインテリジェント設備の導入を通じて、製造業を革新的な企業にすることを目指しています。

3D プリント設備は、材料を徐々に積み重ねて物理的な部品を製造する積層製造技術を採用しており、コンピューターグラフィックス処理、デジタル情報制御、レーザー技術、電気機械技術、材料技術の利点を組み合わせ、製品の製造を改善し、研究開発と生産プロセスを大幅に短縮することができます。数ある3D印刷技術の中でも、3次元印刷技術（略して3DP技術）は、成形速度が速く、成形材料の価格が低いという特徴があります。成形プロセスではサポートが不要で、余分な粉末材料は簡単に除去できます。複雑な内部空洞を持つプロトタイプの作成に特に適しており、鋳造技術と組み合わせて産業応用を実現するのに最適です。

2012年に輸入した高効率大型3Dプリント設備を導入し、鋳造分野における3Dプリント技術の産業応用研究を実施しました。この装置は3DP技術を採用しており、主に鋳造砂型の直接印刷に使用されます。従来の鋳造における鋳型製造、モデリング、コア製造、鋳型組み立ての4つのプロセスがすべて、3Dプリントの1つのプロセスに置き換えられます。 3DP技術とは、デジタルモデルファイルをベースに、粉末などの粘着材を使い、層ごとに印刷することで立体物を構築する技術であり、情報技術、材料技術、デジタル製造技術の融合です。原理は次の通りです。第 1 ステップでは、砂散布機が鋳型砂を使用して、設定された流砂量に応じて砂を層ごとに散布して圧縮します。第 2 ステップでは、印刷ノズルが樹脂バインダーを使用して、敷かれた砂の各層に砂型の断面を「印刷」します。第 3 ステップでは、「印刷」が完了した後、昇降台が 0.3 ～ 0.5 mm 下がり、砂散布機が再び砂を散布し、印刷ノズルが再び「印刷」します。このサイクルを繰り返して、砂型全体が印刷されます。

3Dプリント技術を鋳造業界と融合させる過程では、一方では、購入した3Dプリント設備は海外から輸入されるため、設備には設備製造会社が提供する鋳物砂、樹脂、硬化剤などの材料を使用する必要があり、その3Dプリント設備と鋳物砂は両方とも特許を取得しています。試運転段階では、設備に付属するオリジナルの鋳物砂、樹脂、硬化剤などの材料を使用して完璧な砂型を印刷できますが、コストが非常に高く、このままでは会社は赤字で販売することになり、会社の開発ニーズを満たしていません。この目的のために、技術チームは3DP技術に使用できる鋳物砂、樹脂、硬化剤などの他の材料を探し始めました。鋳物砂の粒子サイズ、鋳物砂のシリコン含有量などの比較分析と国内関連メーカーとの協力を通じて、最終的に適格な砂型を製造できる国産3Dプリント鋳物砂を開発しました。樹脂と硬化剤の配合とテストを通じて、国産鋳物砂に一致する樹脂と硬化剤の量を開発しました。原材料の現地調達により、3Dプリント砂型のコストが60％削減され、同社は一定の利益率を獲得しました。一方、現在の 3DP 印刷技術の限界により、3D 印刷された砂型では層別化の問題が発生することがよくあります。この問題を解決するために、樹脂と硬化剤の比率、およびその後の砂型の乾燥方法と温度が研究されました。最終的に、3Dプリント砂型の層状化しやすいという欠陥が克服され、鋳物のスクラップ率が大幅に削減され、3DP技術で生産された鋳物の品質コストが削減されました。

鋳造品を製造するための 3DP 技術には、次のような利点があります。
まず、鋳造製造工程を短縮します。鋳造砂型印刷用 3DP 技術は、砂型製造の時間とコストを節約し、新製品の開発サイクルとコストを大幅に短縮し、企業が新しい市場を開拓する機会をつかみます。
2つ目は、鋳造品質を向上させ、生産効率を高めることです。 3DP 技術は、散在する小さな砂型をまとめて印刷できるため、成形時の手作業によるコア製造とコア組み立てによって発生する累積誤差を回避し、砂型の寸法精度を向上させ、砂型サイズの不一致によって発生する許容範囲外の鋳造サイズの欠陥を回避し、コア組み立てプロセスを一部節約できます。
3 つ目は、設計が柔軟であるため、コストが節約され、製造の難易度が軽減されることです。 3DP 印刷プロセスでは、デジタルファイルを使用して 3D 印刷装置に送信するため、設計スキームを柔軟かつタイムリーに変更でき、手動モデリングでは完了できない複雑なキャビティ構造の印刷を完了できるため、製造の難易度が軽減されます。
4番目は、人間本位、グリーン鋳造、インテリジェント鋳造です。 3DP 印刷技術により、鋳造現場の環境が大幅に改善され、作業者の労働強度が軽減されました。3D プリンターは手作業によるコア製造とモデリングに取って代わり、人件費を節約すると同時に、鋳造業界におけるインテリジェントでグリーンな生産を実現しました。

鋳造分野における3Dプリント技術の産業応用は、中国の鋳造産業の変革とアップグレード、鋳造プロセスのインテリジェント化、将来のスマート鋳造工場の構築にとって革命的な意義を持つでしょう。

出典: Foundry エコシステム

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