砂型3Dプリント技術と従来の砂型鋳造の比較、Voxeljetが生産の最適化を支援

砂型鋳造は、多くの金属鋳造方法の中で最も伝統的な方法ですが、現在では高度に工業化されグローバル化された需要の課題に必然的に直面しています。より複雑な形状やより大量の製品を、納期の短縮や材料消費量の削減を図りながらいかに生産するかが、競争に勝つための重要な要素となるでしょう。

砂型鋳造は、風力タービンや現代のインフラに必要な大型鋳物の大量生産に適したソリューションの 1 つでもあります。自動車、航空宇宙、さらには芸術などの関連分野にも適しています。デジタル時代の世界は二元的ではなく、常に反省と革新の機会があり、それが砂型鋳造の価値です。 voxeljet は、従来の鋳造プロセスと柔軟で効率的な 3D 砂印刷技術を統合し、生産と供給のリンクを継続的に最適化および改善することに重点を置いています。

この技術は当初は試作と少量生産向けに開発されましたが、現在では大量生産のための経済的なソリューションを提供できるまでに成熟しています。今号では、3D プリント砂型鋳造についてさらに詳しくご紹介します。このコンテンツでは、voxeljet バインダージェッティング技術、利用可能なさまざまな材料、および直接金属レーザー焼結などの他の積層造形技術との違いについて、包括的な概要をご覧いただけます。バインダージェッティング技術を採用することで、鋳造所がワークフローを合理化し、コストと納期を最大 75% 削減する方法、および砂型鋳造技術とバインダージェッティング技術の将来の開発動向について探ります。

伝統的な砂型鋳造

砂型鋳造は、木材、プラスチック、金属から削り出された、または彫り出された立体パターンから鋳型を形成することから始まる金属成形プロセスです。

典型的なモデルキットは、次の 3 つの部分で構成されています。

●模型の下部（ベースプレートとも呼ばれます）。

●模型の上部部分（トップモールド）

●砂型（ベースプレートと上型の間に入れて、目的の金属部品内に空洞を形成するもの。例：エンジンのシリンダーヘッドを冷却するためのウォータージャケットコア）。

鋳造の前に、溶融金属を金型内の空洞に導くために、金型内に金属を注ぐためのゲートシステムが設計されます。溶けた金属が固まった後、殻を割って砂を取り除き、冷却された鋳物を取り出します。必要に応じて、最終用途に合わせて再処理することができます。

金型製作の課題

上記のすべてのプロセスステップのうち、金型製造とゲートシステムの設計は、特に複雑な形状の部品の場合、最もコストと時間のかかる段階です。さらに、これらの鋳型は将来の使用に備えて特別な環境で慎重に保管する必要があり、鋳造所の全体的な保管および運用コストも増加します。

複雑な部品の需要が増加するにつれて、設計モデリングプロセスのコストはますます高くなります。その結果、鋳造プロジェクトでは金型製造が大きなコスト要因となり、スペアパーツやサンプル製造のコストを管理することが難しくなります。

コストの高さに加えて、時間的要素も重要な役割を果たします。従来の金型製造サイクルは、形状に応じて通常少なくとも 6 ～ 8 週間かかり、完成した鋳物が完成して顧客に届けられるまでには 10 ～ 12 週間かかる場合があります。

これらの事実を考慮すると、今こそ 3D プリント砂型鋳造技術を導入すべき時期です。この技術は、これらの課題に対処し、複雑な鋳造品を迅速かつコスト効率よく生産するための道を開くのに適しています。

3Dプリントされた砂型とコア

プロトタイプ、スペアパーツ、または小規模から中規模のバッチ生産のいずれの場合でも、Voxeljet 3D サンドプリント技術により、金型を迅速かつ正確に、そして経済的に製造できます。スピードと設計の自由度は、積層造形技術の核心です。 BMW やダイムラーを含む多くの機器メーカーは、3D プリントの時間とコストの利点をすぐに認識しました。両社は、2002年という早い時期に、当時まだ3年しか経っていなかったバインダージェッティングと呼ばれる新しい3D印刷技術に投資しました。

3D 砂型印刷により、従来の砂型製造に必要なハードモデルが不要になり、複雑な鋳造品の迅速な生産が可能になります。また、従来の金型製造プロセスでは実現できなかった、不均一なパーティングライン、最適化されたゲートおよびゲートシステム設計、統合された砂型、輪郭のある通気孔、局所的な軽量化など、これまで想像もできなかった設計も可能になります。

△VX4000施工量
CAD データは 3D プリントの基礎です。このモデルの CAD データは 3D プリントデバイスにアップロードされ、ソフトウェアによってモデルが薄い層にカットされ、各層がモデルの断面を表します。その後、印刷プロセスが開始されます。型枠の底板は上下に動かすことができます。最初は型枠の底板が完全に上昇し、砂撒き機が型枠の底板に適切な粒状材料（砂）を薄く撒き始めます。砂印刷の標準的な層の厚さは 300 ミクロンです。次に、高解像度のプリントヘッド（200dpi）が、設計要件に従って、アップロードされたモデルの断面積を造形ボックスの底板の砂の上に印刷します。一方、印刷されていない素材はそのまま残ります。各層ごとに、ビルドボックスの床が設定された層の厚さだけ下げられます。砂散布機は粒状材料の別の層を塗布し、それが前の層に選択的に結合します。このプロセスは、オブジェクトが目的の高さに達するか、ビルドボックスがいっぱいになるまで続きます。印刷終了後、印刷されなかった部分を吸引し、印刷物を取り出します。最後に、印刷された部品を必要に応じて仕上げることができます。

使用される材料はすべて、従来の砂型鋳造でも使用される一般的な鋳造材料です。これらの材料には、コア製造に使用される特殊砂などの粒径が140〜250ミクロンのさまざまな珪砂、フラン樹脂、フェノール樹脂、無機バインダーなどのさまざまなバインダーが含まれます。

△ フランダイレクトボンド (FDB) 材料仕様 △ フェノールダイレクトボンド (PDB) 材料仕様砂型印刷の場合、voxeljet はビルドボリュームの異なる 3 つの 3D プリンターを提供しています。

●VX1000（1000×600×500mm）

●VX2000（2000×1000×1000mm）

●VX4000（4000×2000×1000mm）

これらのシステムは、大型の砂型や、砂型とコアのバッチを印刷する必要があるお客様に最適です。

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