レーザーベースの金属3Dプリント製造技術の5つの主要な開発動向

Dhruv Bhate 博士は、パデュー大学の機械工学科を卒業しました。現在は、積層造形技術の分析と設計を担当しています。研究分野には、溶融押し出し 3D 印刷技術 (FDM) と金属積層造形技術 (粉末床レーザー技術に基づく) が含まれます。

4月3日から6日まで米国セントルイスで開催されたAMUG Additive Manufacturing User Conferenceへの訪問を通じて、Bhate博士は、設計、シミュレーションから製造プロセスに至るまで、レーザー金属積層造形技術の発展について詳しく学びました。 AMUG 期間中に展示された主な金属機器メーカーには、Concept Laser、SLM Solutions、Renishaw、EOS、3D Systems などがあります。

バテ博士の目的は、これらの金属製デバイスの何が違うのかを研究することではなく、金属製デバイスを次のレベルに引き上げている共通の傾向を抽出することでした。今号では、彼はその発見を友人たちと共有する予定です。

トレンド1: 品質管理

ほとんどの積層造形装置は、製造工程中の制御性を高め、加工後の不良品発生確率を低減し、後加工の作業負荷を軽減することを目的としています。 Sigma Labs や Stratonics などのサードパーティの品質管理会社は、ほとんどの金属システムと統合できるプラットフォームに依存しないソリューションを開発しました。金属印刷機器サプライヤーも一連のプロセス監視方法を開発しています。一般的に、品質検査は次のカテゴリに分類されます。

入力モニター:

レーザー: センサーは、レーザー出力と機器内のさまざまな主要コンポーネントを監視するために使用されます。

酸素レベル: 処理エリアとふるい分けステーションのセンサーが酸素レベルを追跡し、不活性アルゴンまたは窒素の含有量が有効であり、システムに漏れがないことを確認します。

出力モニター:

ビデオ: シンプルでありながら便利なこのビデオは、レーザー溶融金属粉末の最上層を明確に表示し、加工プロセスをインタラクティブに監視するのに役立ちます。

溶融プール: Concept Laser は、溶融プール監視システムが 2D および 3D 処理イメージをコンピューター内の 3D CAD ファイルと比較して、プロセスの問題を検出する方法を紹介します。 SLM Solutions と EOS も同様の溶融プール監視ソリューションを提供しています。

粉体塗装の一貫性: コンセプトレーザーは、一貫性を実現するために粉体塗装の厚さを調整するインテリジェントな方法も導入しました。

ここで、3D Science Valley は、監視によって生成されるさまざまな情報をどのように処理するか、データを使用して部品が品質要件を満たしているかどうかを確認するかなど、品質監視システムはまだ初期段階にあると考えています。これらすべてには開発の余地が大きく残されており、次のレベルに到達するには、機器サプライヤー、学術機関、産業界の研究開発の組み合わせが必要になります。

トレンド2: 自動粉体処理

金属粉の取り扱いには、火災や爆発の危険性があるため特別な注意が必要です。機器サプライヤーは、機器ユーザーが粉体処理の必要性を最小限に抑えることができる方法を継続的に改善しています。機器メーカーによって金属粉末の供給方法は異なります。 SLM ソリューションの SLM 500HL は、スクリューシステムを使用して粉末を細いチューブを通して材料スクリーニングステーションに送り、処理後に積載エリアに戻します。 Renishaw の RenAM 500M は、装置に統合されたアルゴン空気圧駆動循環システムを使用して、自動粉末供給を実現します。 Concept Lase の XLine 2000R は、自動化された粉末処理も提供します。

図：2 つの粉体処理装置の自動化は、確かに大きな利便性をもたらします。ここで、3D Science Valley は、自動化された粉体処理の限界の 1 つは材料の交換であると考えています。ある材料から別の材料に切り替えるのは非常に困難です。したがって、自動化された粉体処理は、工場レベルの生産ニーズに適しています。1 台のマシンで 1 つの材料製品の生産に集中できます。

トレンド3: マルチレーザー加工

生産性の向上を追求する場合、レーザーの数と出力を増やすことで最大の利益が得られます。通常、レーザーを追加すると、処理効率が 50 ～ 80% 向上します。

SLM ソリューションの 500 HL マシンは、400W または 1000W のレーザー 2 台または 4 台を含む、最も幅広いレーザーオプションを提供します。また、400W レーザー 2 台と 1000W レーザー 2 台など、異なる出力のレーザーの組み合わせを選択することもできます。 Concept Laser の XLine 2000R には 1 つまたは 2 つの 1000W レーザーを搭載でき、M2 デバイスには 200W または 400W レーザーを搭載できます。

EOS、Renishaw、3D Systems は現在、単一のレーザーソリューションのみを提供しています。EOS M 400 には 1000W レーザーが搭載され、Renishaw の RenAM 500M には 500W レーザーが搭載され、3D Systems の PROX DMP 320 3D には 500W レーザーが搭載されています。

ただし、多ければ多いほど良いというわけではなく、ニーズによって異なります。 3D Science Valley は、複数のレーザーが必要かどうかを評価する際には、いくつかの点に注意する必要があると考えています。まず、レーザーを追加するたびに、実際には機械の投資コストが増加します。3 番目に、マルチレーザーシステムを使用する場合、異なるレーザーからレーザーへの変更には正確な制御機能が必要であり、連携して動作するレーザーには、より多くのキャリブレーション、メンテナンス、および制御機能が必要であることに注意する必要があります。さらに、400W と 1000W の異なるレーザー出力を切り替えるのは 1 日でできる仕事ではないため、複数のレーザーが必要かどうかは、最終的に処理するものと処理戦略に密接に関係しています。

トレンド4: ソフトウェア統合

Renishaw は、Renishaw のプロセスパラメータと部品加工情報を統合してシームレスなプロセスパラメータを実現し、Magics などのサードパーティソフトウェアの必要性を排除するように設計された、使いやすい QuantAM ソフトウェアについて多くの時間をかけて説明しました。

別の装置メーカーである Additive Industries は、3DSIM シミュレーションソフトウェアと契約を締結し、3DSIM を MetalFab1 装置のサポートソフトウェアソリューションに統合すると発表しました。

ソフトウェア統合は、特に以下の分野で拡大する可能性があります。

- 設計方法の改善、経験への依存度の低減、設計の最適化により材料、処理時間、処理コストが削減され、複数回の反復の必要性が軽減されます。

- ユーザーが利用できる処理オプションを増やします (例: 外皮と内芯、厚い壁と薄い壁)。

- 新材料のプロセスパラメータの最適化を簡素化します。

- 設計とプロセスの最適化を統合して、部品の効果的なパフォーマンスを向上させます。

トレンド5: モジュラーシステムアーキテクチャ

コンセプトレーザーは、モジュールシステムアーキテクチャの面で業界をリードしています。生産準備と生産の分離、柔軟な機械の積み込み、空間の分離、設置と解体のモジュールの組み合わせにより、工場の柔軟性が向上し、自動化がより高いレベルに引き上げられます。

さらに、コンセプトレーザーは、加工パラメータ管理用のオフィスソフトウェア、加工プロセスとデータ管理用のサーバーソフトウェア、設備と製造プロセス制御用のマシンソフトウェア、生産管理用の監視ソフトウェア、生産報告用のプロトコルソフトウェアなど、全工程自動化を実現するソフトウェア間の通信を接続し、全工程自動化生産を実現する計画です。

出典: 3Dサイエンスバレー

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