マキノとドイツのフラウンホーファーが共同で超高速レーザークラッディング技術を5軸CNCプラットフォームに統合

2024年7月4日、アンタークティックベアは、日本に本社を置く世界的に有名な工作機械メーカーであるマキノとフラウンホーファーレーザー技術研究所（フラウンホーファーILT）が協力して、EHLAとEHLA3Dを使用して積層造形の限界を再定義していることを知りました。超高速レーザークラッディング技術（EHLA3D）を5軸CNCプラットフォームに統合することで、高強度材料を使用して複雑な形状を効率的に製造、コーティング、修復できるプロセスを開発しました。この連携により、主要産業における生産時間が短縮され、部品の寿命が延びるとともに、循環型経済における将来のイノベーションの基盤が築かれます。

レーザー技術は、製造業、特に積層造形の分野で中心的な役割を果たしています。この文脈において、Fraunhofer ILT と Makino は、EHLA3D テクノロジーを 5 軸 CNC プラットフォームに「移植」したいと考えています。ただし、これを実現するには、EHLA3D プロセスで加工ヘッドが迅速かつ動的に移動できるように、運動学的研究を実施する必要がありました。
これにより、幅広い形状を柔軟に処理し、さまざまな材料でコンポーネントをコーティングできるようになります。当初、プロジェクトパートナーは積層造形のみを検討していましたが、すぐに修復が必要な対象が浮かび上がりました。「修理はとてもエキサイティングです。多くの高価な部品は、小さな欠陥であっても交換する必要があります。マキノが提供するような回転テーブルと傾斜テーブルを備えた柔軟なシステムは、実際に優れた修理オプションを提供します。これにより、新製品のコストが節約され、出荷と配送時間が回避され、ダウンタイムが最小限に抑えられます。さらに、修理のテーマは、将来の循環型経済の基本的な前提条件です」と、ILTのレーザー金属堆積（LMD）部門のプロジェクトリーダーであるミンウ・コ氏は述べました。
△ILTのコ・ミンウ氏（左）と牧野のヨハネス・フィンガー博士（右）。画像提供: フラウンホーファーレーザー技術研究所
このプロジェクトにおけるマキノの役割は、CNC ハードウェアに限定されず、プロセス制御も含まれており、これは完全に再設計する必要があった。課題は、機械を高加速度に技術的に適合させ、プロセス制御と機械の運動学を最適化して、レーザービームと材料の相互作用を正確に制御することです。
マキノのシンガポール子会社が開発したこの機械は、実効送り速度が毎分最大30メートルと、従来のシステムに比べて非常に高速です。この速度は、生産時間を大幅に短縮できるため、大型で複雑な部品を加工する際に非常に有利です。技術の向上により、一貫して高品質の最終製品が実現し、生産プロセスの効率化が図れます。これは、航空宇宙産業や工具製造産業における高品質の部品にとって特に重要です。
マキノのプロジェクトマネージャーであるヨハネスフィンガー博士は、次のように述べています。「マキノは高精度の CNC システムで世界的に有名です。積層造形、特に高速 LMD への進出は、マキノの製品ポートフォリオの戦略的な拡大を表しています。共同開発された 5 軸 CNC マシンにより、高強度鋼や炭化物など、溶接が難しい材料で複雑な形状を迅速かつ正確に製造できるようになりました。これは他に類を見ないものです。」
共同最適化により効率と精度が向上
Fraunhofer ILT は、レーザー製造プロセスに関する広範な専門知識のほか、包括的なインフラストラクチャと専門的な研究施設をこのプロジェクトに提供します。この研究所は、LMD プロセスとコンポーネント開発における数十年の経験を活かし、幅広い材料を処理するためのプロセスパラメータの最適化に決定的な貢献を果たし、最終的にこの新しい技術を産業パイロット顧客である toolcraft AG に移転しました。これには、レーザーパラメータの調整、粉末供給の微調整、CNC マシンのモーション制御の最適化が含まれます。
△AML500加工機。画像提供: 牧野
「熱入力の最適化は、EHLA3D プロセスの重要な側面です」と、著名な材料専門家である Min-Uh Ko 氏は述べています。「供給速度と粉末ガス注入は、材料に導入される熱を制御する上で重要な役割を果たします。供給速度と粉末質量流量を調整することで、熱入力を正確に制御し、熱影響部を減らし、均一なコーティング品質を確保できます。」
「高い供給速度と最適化された粉末供給を使用することで、同等またはそれ以上の精度を維持しながら、材料塗布の効率を大幅に向上させることができます」とヨハネス・フィンガーは言います。「その結果、HS-LMD のスタッキング速度を大幅に向上させることができ、生産プロセス全体の効率が向上します。」
高性能部品の修理・コーティング<br /> このプロジェクトの目標の 1 つは、通常の操作中に高い負荷を受ける高品質のツールと機械部品を修理および保守することです。パートナーは、改良された EHLA3D テクノロジーを通じてこれを実現することができました。さらに、EHLA3D テクノロジーは摩耗部品のコーティングにも効果的に使用され、摩耗部品の耐用年数が大幅に向上します。耐摩耗コーティングを正確かつ効率的に適用できるようになったため、EHLA3D は鉱業や重工業を含むさまざまな業界のコンポーネントの耐用年数を延ばすための費用対効果の高いソリューションになりました。
マキノがその結果を新しい AML 500 加工機に非常に迅速に適用できたという事実は、一方では機械メーカーの CNC システムの柔軟性を示しています。一方、実際のアプリケーションでは、EHLA3D テクノロジーが単なる理論的な概念ではなく、コスト、効率、パフォーマンスの面で大きな利点を持つ、高度で強力かつ産業的に適用可能なテクノロジーであることが示されています。産業界の顧客と Fraunhofer ILT との連携により、研究室環境をはるかに超えた製造技術の目に見える改善が実現します。
将来の開発の重要な側面は、EHLA3D プロセスの新しいアプリケーション領域の特定と検証です。処理できる材料システムが非常に柔軟になったため、この拡張された EHLA プロセスは、LMD プロセスの制限により通常は研究できないアプリケーションにも適用できるようになりました。これは特に、マルチマテリアルシステムの応用と微細構造の印刷に当てはまります。

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