高圧ダイカスト金型における金属3Dプリントの開発動向

出典: 中国鋳造

金型にしろ鋳造にしろ、コスト削減や納期短縮の要求はこれまで以上に強くなるかもしれません。同時に、品質に対する要求は低下せず、むしろ高まる可能性もあります。過去2年間のテスラの構造部品とBYDのパワートレイン部品の状況から判断すると、一方では、金型寿命が伝統的な自動車会社よりも一般的に短く、鋳造歩留まりが伝統的な鋳物よりも一般的に低く、新しい部品の生産成熟度にはまだ改善の余地があることを反映しています。他方では、自動車会社はますます高集積ダイカストを好むようになり、金型寿命と製品歩留まりが低くても、依然として開発を続けており、これは自動車の販売に直接関係しています。

同じ2000トン以上の金型のシリンダーボディを例にとると、BYDの寿命が5万しかなく歩留まりが80％であるのに対し、トヨタの寿命は20万で歩留まりが99％であるにもかかわらず、多くの問題を抱えたBYDの金型が依然として最良です。結局のところ、寿命がどれだけ長くても、歩留まりがどれだけ高くても、車が売れなければ意味がありません。今日の新エネルギー車は石油車を捨てつつある。それは、1970年代の世界的な石油危機のとき、小排気量車が大排気量車を捨て、デトロイトが最盛期からゴーストタウンに転落したのとまったく同じである。自動車産業が主力の湖北省が今年、なぜこのような思い切った措置を取ったのかも理解できる。

この傾向により、現在の1.2～2元/gの3Dプリント用金型の価格は、市場の需要を満たすために必然的に下がるでしょう。粉末の1キログラムあたりの価格は100元まで下がり、これは0.1元/グラムです。印刷重量が1時間あたり125グラム以上でコストが50元/時間の場合、1キログラムあたりの価格は0.4元/グラムに達する可能性があります。印刷コストは輸入粉末鋼と同等になり、外部見積もりも0.8〜1元/グラムのレベルになります。つまり、金型一式に8万～10万元を費やすことで、100kgの3Dプリント部品を入手できるというわけだ。

一体型構造部品金型を例にとると、これら8万～10万個の3Dプリント部品を有効活用して、鋳物の砂穴、熱バランス、鋳型の固着を制御し、金型の水路、穴あけ加工、エジェクタ配置を最適化すれば、これらの改善はコスト効率が向上するだけでなく、総額1,000万～1,500万の大型金型にとって非常に価値のあるものとなる可能性があります。

しかし、このようなレベルのコスト削減を達成するには、3D プリンティング業界の専門家の共同の取り組みが必要です。国家の支援に大きく依存する航空宇宙などの産業とは異なり、自動車用金型は市場志向の大規模製造業であり、それに関連する金型は金属3Dプリント産業が真に自立できる数少ないポイントの1つです。現時点で自分たちを支えるためには規模を拡大する必要があり、規模があって初めて価格を適正化できるのです。価格が手頃になればなるほど、もともと伝統的な金型鋼と機械加工に属していた市場が3Dプリンティングへと移行するでしょう。

これが、3D プリントを「ゼロから始める」必要があると私たちが言う理由です。価格をさらに引き下げることができれば、自動車産業における新エネルギー革命のペースにうまく対応できるようになり、規模を拡大して業界で確固たる地位を築く機会が増えるだろう。これは実は、国内の3Dプリンティング業界の現在の傾向とは大きく相反するものであり、国内の3Dプリンティング業界は航空宇宙、エネルギー、医療産業に重点を置いており、研究作業はチタン合金や高温合金に集中する傾向にあります。以下では、粉末と印刷装置の 2 つの側面から詳細に説明します。

印刷用パウダー<br /> チタン合金と高温合金は依然として国内の粉末生産能力の主力であり、利益面でも主力となっている。鋼粉は二次的なものであるだけでなく、金型用鋼粉もまだ主流ではないことから、実際には鋼粉、特に金型用鋼粉の価格はまだ下がる余地があることがわかります。金型用鋼粉末のうち、射出成形金型用に使用されるものは主にCX型時効硬化ステンレス鋼であり、ダイカスト金型用に使用されるものは主に1.2709型（18Ni300）マルテンサイト系時効硬化鋼である。これら 2 種類の粉末が最初に金型業界に導入された理由は、印刷性能が優れ、割れにくく、予熱要件が低いためです。実際、これら 2 種類の粉末は、簡単に溶接できる材料としてよく使用されます。多くの溶接修理会社のいわゆる「専門技術」は、さまざまな経路から入手した老朽化した鋼製溶接棒に基づいて実現されます。

北米では一般的にC300と呼ばれている1.2709を例に挙げましょう。伝統的な材料として、靭性が良く、H13よりも大幅に優れた焼戻し耐性を持っています。そのため、1970年代には、C300とC250を使用してダイカスト金型を製造した場合、亀裂寿命がH13金型の3倍以上になることがよくありました。しかし、1.2709材料は価格が高いため（主に製錬コストが高いため、1kgあたり1,000元以上になることが多い）、商業用の金型に大規模に使用することは基本的に不可能です。 3Dプリントの助けを借りて粉末の形でダイカスト金型市場に戻った後、高Niおよび高Co合金成分が粉末コストのさらなる削減を妨げてきました。

損をしない限り、価格を200元/kg以下に下げるのは難しいです。 2709 は優れた焼戻し耐性を備えていますが、3D プリントダイカスト金型としては最高の性能ではありません。なぜなら、まず第一に、3D プリントされた金型は寿命を延ばすためではなく、適合した水路の助けを借りて追加の機能を実現するために使用されるからです。したがって、コンフォーマル水路の機能を十分に発揮し、水路設計の難易度を軽減するために、金型には高い熱伝導率が必要ですが、2709 の熱伝導率は H13 の 3 分の 2 未満にすぎません。第二に、適合水路を設計することで、金型自体の熱負荷が大幅に軽減され、特に高い焼戻し抵抗を必要とせずに良好な寿命を実現できます。このため、2709 は熱伝導率が不十分で焼き戻し抵抗が大きすぎるという恥ずかしい状況に陥り、基本的に市場から排除される運命にあります。

市場に出回っている次世代ダイカスト 3D プリント粉末は主に H13 で、DAC55、Dievar、W350 などのさまざまな有名な鋼粉末が含まれています。合金コストは、2709 などの老朽鋼よりも低くなります。鋼種分類の観点から見ると、H13 を含むこれらの材料はすべて二次硬化中温高強度鋼です。550°C を超える温度で焼き戻しが行われ、500°C でも強度が求められる作業環境に適しています。 300Mなどの低合金高強度鋼に比べ、5Cr含有量が多いため焼入性、焼入性が極めて優れており、厚肉・大断面金型の熱処理に適しています。

しかし、3D プリントされた金型は、少なくとも現時点では断面積が大きくないことは明らかであるため、この部分には過剰な性能があり、Cr 含有量を減らすことで熱伝導率を向上させることができます。さらに、高硬化性は 3D 印刷プロセスに適さず、割れが発生しやすいため、このタイプの粉末の印刷プロセスは、2709 などの老朽化した鋼の印刷プロセスよりも一般的に遅くなります。次の開発方向は、熱伝導性をさらに向上させ、印刷性をさらに最適化することです。

粉末の種類をさらに最適化し、国内の粉末製造能力と組み合わせることで、粉末コストをさらに削減することが可能になります。それまでに、継続的な反復を通じて粉末の種類が明確化され、統一されることが期待されます。

印刷機器<br /> 大型印刷機器の開発では国内メーカーがすでに世界をリードしており、欧州の伝統ブランドであるEOSやSLMは衰退傾向にある。国家が支援する航空宇宙プロジェクトなどのおかげで、多くの国内メーカーはすでに大型設備で大型部品を印刷する上でかなりの実践経験を積んでいます。技術的な難しさの観点から見ると、複雑なグリッド構造を持つチタン合金や高温合金部品は、コンフォーマルな水路を作るだけで済む 3D プリントダイカスト金型よりも製造がはるかに困難です。チタン合金は熱伝導率が低いため、応力蓄積に関連する問題が鋼鉄よりもはるかに深刻です。さまざまな品質管理要件により、設備側でさまざまな監視要件と関連機器および方法が生じています。これには以下が含まれますが、これらに限定されません。

音響信号 - 音響センサー - 多孔性、亀裂、粉末の敷設高さ。

光信号 - 高速カメラ、フォトダイオード - 粉末の固化、溶融池の形態、相互汚染。

熱信号 - サーマルイメージャー、CCD カメラ - 溶融池面積、溶融池温度、溶融池サイズ/スパッタ/冷却速度。

3Dプリンターのレーザー光源、ガルバノメーター、風速場、プログラムなどの要素が完全に商品化され、価格も大幅に下がりました。上記のような機能や品質管理に関わる付属設備、システムを、特殊粉末やモールド印刷などの特殊用途向けの専用機と組み合わせてスケールアップしていくと、必然的に価格は下がっていきます。つまり、専用機と専用ファン＋規模拡大により、必然的にコストはさらに削減されることになります。 3Dプリントでは、粉末以外ではプリンターの時間コストが最も大きな費用となる。ポリライトやイープラスなど国内各社はレーザーを使った10メートル級の汎用装置を発売している。各レーザーヘッドの成形効率を15cm3/hとして計算すると、10個のヘッドの合計は150cm3/hとなり、1時間あたり約1.2kgを印刷します。専用機がトナーを交換しない場合、機械料金は現在500元/hに達し、これはグラム価格に換算すると0.42元/g未満です。これは、上記で推定したグラムあたりの低価格に非常に近いものであり、特別なモデルであれば、明らかにまだ最適化の余地があります。

いわゆる特殊機械は、金型または特定の金型部品（インサート、ウォータージャケット、コアなど）を印刷するために特別に使用される装置です。この汎用機は、アルミニウム、チタン、ニッケル、スチールなどのさまざまな材料や部品の印刷のニーズを満たすように設計されています。そのため、多面的な側面を考慮し、普遍性を追求しなければなりません。特定の目的に合わせて最適化し、コストを削減することは困難です。モールド印刷の場合、特定の粉末、特別に最適化されたレーザー、サイズ、基板、スクレーパーは、汎用機械よりも必然的に効率が高くなり、コストがさらに削減され、効率が向上します。

今後の動向<br /> 以上のことから、3D プリントダイカスト金型はコストをさらに削減できることがわかり、従来の機械加工による減算型製造に追いつく可能性も見えてきたかもしれません。 3Dプリント金型の総価格が実際に0.5元/g、または500元/kgに達した場合、多くの金型工場の経営者はノートを取り出して、次の設備はNCにすべきか、3Dプリンターにすべきかを慎重に検討しなければならないと考えられます。

結局のところ、価格が下がれば、3D プリントの柔軟性の利点が最大限に発揮されるでしょう。いわゆる柔軟性とは、熱を奪うコンフォーマル水路だけではなく、金型の性能を制御して最大限の費用対効果を実現する機会でもあるのです。ご存知のとおり、金型の故障には主に 2 つの種類があります。熱亀裂など遅かれ早かれ必ず発生する避けられない故障と、亀裂、漏れ、欠けなどさまざまな要因によって発生する偶発的な故障です。自動車の新エネルギー革命の現在の状況では、50,000 個の金型内で許容できる程度の不可避的な故障/偶発的な故障のないインサートの方が、500,000 個の金型内で許容できる程度の不可避的な故障/偶発的な故障のないインサートよりもはるかに実用的でコスト効率が優れています。

スマートフォンが初めて登場したときと同じように、新車があまりにも早く繰り返し登場するため、多くのデザインが半年後には時代遅れになり、生産ツールの長い寿命は意味をなさず、負担にさえなっています。同様に、寿命を延ばすために費やされる余分な強度、余分な靭性、余分な価格、余分な納期はすべて、企業にとって不利です。コンフォーマル水路の助けを借りて、3Dプリントは金型の生産負荷を調整する機会を得ることができます。合理的な設計により、経済的で適切な粉末材料と印刷プロセスが使用要件を満たすことができるため、これらの分野で追加費用をかける必要がなくなり、コストが削減され、会社の効率が向上します。例えば、元々インサートにはアルミの固着を防ぐためにPVDが必要でしたが、現在では3Dパーツを作る際に5万個の金型内でアルミの固着が問題にならないため、PVDのコストが節約できます。他の分野でも同様です。

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