3Dプリントとの組み合わせ：砂型鋳造のリードタイムとコストを削減

この投稿は Coco Bear によって 2023-2-12 12:10 に最後に編集されました。

はじめに: 3D プリンティング (積層造形 (AM) とも呼ばれる) は製造において多くの利点があり、その急速な発展により従来の製造プロセスにも多くの変化をもたらしました。近年、砂型鋳造プロセスは大きな変化を遂げていますが、3D プリントによって砂型鋳造会社が廃業することはありません。AM と従来の砂型鋳造プロセスはパートナーになることができます。AM を追加することで、従来の砂型鋳造技術はより高速で、よりコスト効率が高く、より柔軟になります。

3D プリントが追加されても、砂型鋳造のプロセスは基本的に同じままです。
●予定の最終バージョンのレプリカまたはパターン型を使用します。●モデルは、成形時に内部チャネルを作成するためのコアを備えた 2 部構成の型に配置されます。●特殊な鋳型砂が、サンドボックスまたは型チャンバー内とモデルの表面上で圧縮されます。
●門などの重要部分はそのまま残されている

3D プリントがこの従来のプロセスを変えるステップは、金型とコアデバイスの製造方法です。

△ 減算型製造モードと加法型製造モード

従来の製造方法では、金属やプラスチックの CNC フライス加工などの減算製造技術が使用されます。これは、工作機械を使用して不要な材料を選択的に除去し、材料のブロックを目的の形状に加工するものです。対照的に、AM は「ゼロから」のプロセスであり、ビルドボリュームまたはビルドプラットフォーム内で必要な材料のみをレイヤーごとに追加します。付加製造プロセスでは、標準的な熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、充填樹脂、フォトポリマー樹脂、さらには金属など、さまざまなポリマーから部品を製造できます。

従来の製造方法と比較して、3D プリントされた鋳造パターンは次の場合に推奨されます。
●摩耗したモデル機器のリバースエンジニアリング - 積層造形を使用すると、砂型鋳造プロセスはより正確で自動化され、再現可能になります。 3D スキャナーは、元の部品やモデルデバイスをスキャンするために使用されます。設計ファイルは 3D CAD ソフトウェアを使用して調整または完成させ、適切な許容差と収縮率で 3D プリントすることができます。

●鋳造設計に使用する合金が変わる場合 - 合金が変わると収縮率も変わりますが、3Dプリントツールを素早く複製して正しい合金収縮率で鋳造品を正しく製造できるため、遅れやパターンの損傷がなくなります。

●短いリードタイム – 3D プリントモデルはわずか数時間から数日で製造できるため、プロトタイプを作成したり、短期間で部品を納品したりする場合の大きな利点となります。

● 複数回の反復、継続的な調整、またはモデルに対する大幅な調整が必要 - 従来製造された金型設備を調整するよりも、CAD ファイルを調整してから再印刷する方が、より高速で、コスト効率が高く、自動化されています。

● より小型で複雑なコア鋳造 - 3D プリントされたポリマーパターンと 3D プリントされた砂コアを組み合わせた 3D 技術の適用により、鋳造品を迅速に製造でき、コストと時間を削減できます。

すべての3Dプリント技術が同じように作られているわけではない
3D 印刷技術の数と範囲は広大で、バインダージェッティング砂/金属、粉末床レーザー溶融、SLA ステレオリソグラフィー、フィラメント押し出し、ペレット押し出しが含まれます。砂型鋳造パターン装置に最適な技術を選択する際には、部品の形状、パターンのサイズ、材料要件などの要素を考慮する必要があります。大型 3D プリンターは、多くの砂型鋳造パターンの大きなサイズ要件を満たします。たとえば、直接ペレット供給方式の 3D プリントでは、幅広い材料を使用でき、堆積速度はフィラメント 3D プリントの 10 倍です。さらに、ペレット材料のコストはワイヤの 10 分の 1 であるため、ペレット押し出しは減算技術に代わるコスト効率の高い方法となります。

3D プリント技術自体が鋳造プロセスに大きな利点をもたらしますが、砂型鋳造アプリケーションでは、付加的な材料と減算的な材料をハイブリッドプラットフォームに組み合わせる際にもいくつかの利点があります。それぞれの 3D プリント技術は万能ではなく、それぞれに限界があります。しかし、それを減算型製造とうまく組み合わせることでのみ、それぞれの利点を活かすことができるのです。

△PLAフィラメント印刷

△ABS粒子印刷、0.4mmノズル、0.2mm層

△パーティクルプリントとABS加工

砂型鋳造アプリケーションにおけるハイブリッドプラットフォームの有効性を説明するために、実際のアプリケーション例を見てみましょう。 Proveedora de Servicios y Suministros Industriales (PSSI) は、プロトタイプ機器の製造に必要なコストと時間を削減するために積層造形法を利用したいと考えていました。彼らの目標は、パターンサイズの品質を維持しながら、時間とコストを 50% 削減することでした。

PSSI は、ハイブリッドプラットフォームである Titan ペレット押し出し 3D プリンターを利用することで、一般的な木材モデリング機器の木材組み立ておよび機械加工プロセスを排除することができました。 CNC マシンとは異なり、Titan 3D プリンターは機器を操作するために継続的な労働力を必要としないため、製造の長期実行が可能になり、リードタイムが 60% 以上短縮され、全体的なコストが削減されます。さらに、選択された材料PETGは木材よりも優れた耐久性を備えているだけでなく、最終的な後処理においても同等の処理性能を備えています。これにより、プリンターから直接、より高速で低コストのニアネットシェイプソリューションを実現できます。

△画像提供：Proveedora de Servicios y Suministros Industriales

△ ポンプ組立モデルとコアボックス

砂型鋳造に付加製造技術を導入する場合、留意すべき点がいくつかあります。

1. 砂型鋳造モデルの表面粗さを低減する:
●耐久性に優れたガラス繊維や炭素繊維を充填した ABS、PC、ナイロン、PEKK などの高性能ポリマーの使用を検討してください。
● プライマー/塗料はポリオレフィン（PP、PE）を除くほとんどの高性能ポリマーに対して良好な接着性を持つことを考慮すると、印刷対象物専用のコーティングを設計することが可能です。

2. 高スループットモード:
● 可能な場合は、パターン化されたデバイスをセクションごとに印刷して組み立てます。これにより、印刷の問題の影響が軽減され、ツールを複数のプリンターで順次ではなく並行して実行できるようになります。
●45 度ルールに従って設計するなど、常に積層造形 (DfAM) 用に設計して、材料と印刷時間を最小限に抑え、サポートと印刷欠陥を減らします。
摩耗が激しい部分については、その部分をパターンに組み込んでおき、過度の摩耗が発生したときに交換することができます。
●CAD機能の開発を積極的に推進します。
●積層造形装置とのシームレスな接続を実現する金型装置の設計・製作。

砂型鋳造プロセスに付加製造を統合することで、鋳造所やパターン工場はより機敏かつ競争力が増し、従来の方法よりも迅速かつ低価格で高品質の鋳造品を市場に投入できるようになります。

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