中科宇辰がシーメンスと提携し、積層造形の産業応用を推進

著者: Shi Jianjun (南京中科玉辰レーザー技術有限公司のテクニカルディレクター) Dong Hailin (シーメンスデジタルインダストリアルソフトウェアの積層造形製品マネージャー)

近年の新たな製造技術として、積層造形技術の登場により、従来の鋳造、鍛造、溶接などの技術のボトルネック問題を打破し、複雑な部品や大型構造部品の全面成形を実現しました。しかし、積層造形後の精度不足は、積層造形技術の急速な発展と大規模な応用を深刻に制限しています。現在、積層造形と切削造形を組み合わせた複合造形技術は、この問題を解決するための理想的な方法の 1 つです。

付加製造と減算複合製造技術は、付加製造技術を前提とした従来のCNC工作機械の二次開発技術です。減算製造の高い寸法精度と良好な表面品質の利点を組み合わせて、付加製造の低いプロセス精度を補います。付加製造の層ごとの積み重ねとタイムリーな切断処理を使用して、成形プロセス中の部品の寸法精度と表面品質を確保し、同じCNC工作機械で部品の「付加-減算」の連続複合加工プロセスを実現します。

△図1 積層造形と切削造形複合加工プロセスの特徴積層造形と切削造形複合加工技術の発展方向積層造形技術と切削造形技術の長所を融合したこの技術は、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や、レーザー修復による循環型経済の改善の実現に有利であり、幅広い応用展望があります。

解決策 南京中科宇辰レーザーテクノロジー株式会社は、加法と減法のハイエンド複合加工能力を備えた5軸リンク加法・減法複合製造工作機械を開発しました。従来の5軸加工の加工機能を維持するだけでなく、加法製造機能も備えています。全体のシステムは、減法システムと加法システムの2つの部分で構成されています。サブトラクティブシステムの本体は、5軸制御システムを搭載した立形5軸加工センター（3直線軸＋ACクレードル作業台）です。 Siemens NX™ ソフトウェアの多軸付加モジュールと 5 軸加工モジュールを使用して、加工軌跡を効率的かつ正確に計画し、仮想加工を検証し、加工コードを迅速に取得して、付加加工と減算加工の統合を実現します。
△ 図2 中科宇辰5軸リンク積層複合材製造工作機械
導入効果 中科宇辰は、シーメンスNXソフトウェアプラットフォームのMulti Axis Deposition（指向性エネルギー堆積積層造形）経路計画モジュールと減算処理経路計画モジュールに基づいて、3軸工作機械、5軸4リンク工作機械、5軸5リンク工作機械など、さまざまな積層造形および減算造形設備構造の動作構成を実現しました。シーメンス828D、840D CNCシステム、ロボット制御システムなどのポストプロセッサ開発と構成を完了し、設備動作CNCプログラムを直接出力できます。これを基に、中科宇辰は「設備構造＋CNCシステム」を自由に組み合わせたデジタル積層造形設備モデルライブラリを形成しました。このモデルライブラリの助けを借りて、ユーザーはソフトウェア側で中科宇辰の付加製造設備の標準モデルの全面的な仮想操作を実現し、部品印刷パス計画戦略を最適化し、設備の移動中の干渉と衝突をチェックすることができます。同時に、印刷する部品の幾何学的特性に応じて、非標準の付加製造設備のより具体的なハードウェア指標を提案することができます。

会社概要紹介 南京中科宇辰レーザー技術有限公司（以下、「中科宇辰」）は、2013年の設立以来、レーザー積層造形装置（3Dプリント、表面技術）とコアコンポーネントの研究開発と製造に取り組んでいます。中科宇塵は、市場のニーズをリードし、継続的に満たすという開発理念に基づき、2019年2月に「高効率・高精度10,000ワットレーザー積層・積層複合製造装置およびコア技術研究開発」プロジェクトを正式に開始しました。積層・積層装置のコアコンポーネントの独立構造設計、積層・積層製造の効率的な経路計画技術、積層・積層製造プロセスデータベースソフトウェア、全プロセス状態監視システムなどの機能モジュールユニットを実現しました。3セットの専用積層・積層インテリジェントソフトウェアを形成し、8件の関連特許と11件のソフトウェア著作権を申請しました。中科宇辰は、上記のコア技術を基に、5軸リンク式積層複合材製造装置やフレキシブルロボット積層複合材製造装置など、一連の装置を開発しました。

企業が早急に解決すべきビジネス上の問題 南京中科宇辰レーザー技術有限公司は、積層造形と減算加工を組み合わせたハイエンドのハイブリッド加工装置を開発する必要がありましたが、ハイブリッド加工では加工パスの計画と加工コードの生成に課題がありました。

従来の方法では、生の製品のデジタルシミュレーションから軌道計画、そして使用可能なモーションコードの出力まで、面倒なプロセスが必要になります。付加的な材料と減算的な材料をどのように組み合わせるかを手動で判断しなければならない場合、作業量が非常に大きく、エラーが発生しやすく、準備サイクルもかなり長くなります。これでは、軌道計画と処理検証の迅速な反復に対応できず、顧客体験にも悪影響を及ぼします。

また、製品モデルが外部から提供されるか内部から提供されるかに関わらず、特にSTLなどの小型平面モデルは、使用前に確認、修復、場合によっては修正する必要があり、従来のソフトウェアではこの操作を処理できません。

エンタープライズアプリケーションの実践と探索
ソリューションの実践と検討:
南京中科宇辰レーザー技術有限公司は、シーメンスNX多軸付加モジュールと5軸加工モジュールを使用して、付加的および除去的複合加工用のハイエンド機器の完成を加速しています。 NX を使用すると、加法および減法の軌道計画、仮想印刷、および加工シミュレーションを簡単かつ迅速に実行できます。

図3 NXソフトウェアに基づく5軸リンクの付加的および減算的製造パス計画
(a) アルミ合金フレームビーム (b) ニッケル合金+銅合金燃焼室 (d) ステンレス鋼フランジ △ 図4 中科宇辰の代表的な部品の積層造形と切削造形
実施結果 設備が顧客に納品された後、顧客はシーメンス NX 多軸付加加工モジュールと 5 軸加工モジュールを使用して、加工部品の STL ファイルを直接処理し、検査、修理、さらには修正を行うことができます。通常、完了までに数日かかる付加的および減算的ハイブリッド加工の軌道計画と後処理プログラミングが、わずか数十分で完了できるようになりました。

生成されたトレースは、トレースレベル、コードレベル、デバイスレベルでシミュレートできます。最終的にデバイスに入力されたコードが使用可能であり、プラントやオペレーターにリスクをもたらさないことを確認します。

Siemens NX 多軸添加剤は、レーザー粉末供給 DED をサポートするだけでなく、アークワイヤ供給、材料押し出し、コールドスプレーなどの複数の 3D 印刷プロセスもサポートし、処理技術のシームレスな拡張をサポートします。

「シーメンス NX ソフトウェアの多軸加法および減法モジュールは非常に強力で、5 軸およびロボットへの適応性に優れています。NX ソフトウェアは、軌道計画と動作シミュレーションを迅速に完了できるだけでなく、STL ファイルの編集もサポートしているため、複雑なコンポーネントの加法および減法複合処理に対するパス計画のニーズを十分に満たしています。」

——南京中科宇辰レーザーテクノロジー株式会社技術ディレクター石建軍博士

今後の協力の展望 Shi Jianjun博士は次のように語っています。「今回の協力を通じて、私たちはシーメンスとの良好なスタートと交流を確立しました。シーメンスは、さまざまな付加製造技術のための豊富な付加ソリューションを提供することができます。私たちは、将来の付加製造プロセスにおいて、より困難なハイエンド機器の研究開発の技術的問題を解決するためにシーメンスと協力することを楽しみにしています。」

董海林氏は次のように述べた。「中科宇辰のようなハイテク企業と協力し、中国のハイエンド機器の研究開発と製造に貢献できることを光栄に思います。また、中科宇辰と積層設計、印刷シミュレーション、金属粉末床溶融結合プロセスでさらに協力していくことを期待しています。」