アーク積層造形は単なる溶接だと思いませんか？

著者: Gezhi Academy の Chi Kemeng と Wu Xiao

アーク添加って溶接だけじゃないんですか？アーク積層造形に触れたことのある私の友人のほとんどは、この魂を問うような質問をしたことがあるか、されたことがあると思います。実際、プロセスの原理や機器の構成の点でも、アーク積層造形と溶接には非常に多くの類似点があるため、この質問をするのは驚くことではありません。では、アーク積層造形と溶接にはどのような関係があり、類似点と相違点は何でしょうか?この記事が答えとなることを願っています。

アーク溶接は付加溶接ですか？
この質問に答えるには、まず溶接の定義を理解し、次にその定義を使用してアーク積層造形が要件を満たしているかどうかを判断する必要があります。

溶接の定義: 充填材の有無にかかわらず、熱または圧力、あるいはその両方を適用して、同質または異種のワークピースの原子結合を実現する処理方法。

溶接の定義によれば、アーク積層造形法は、電気アークを熱源として材料を加熱し、金属線を充填材として使用して同一または異なる材料の原子結合を実現し、ワークピースを形成する処理方法として完全に理解できます。

アーク添加剤が溶接技術であることは間違いありません。しかし、この考えをさらに一歩進めてみてもいいかもしれません。定義の観点から見ると、より成熟したレーザー粉末床溶融付加技術であれ、新興のレーザーエネルギー堆積、アーク付加、プラズマヒューズ付加、電子ビームヒューズ付加など、金属付加製造のさまざまな技術ルートは、溶接の定義を満たしているように見えます。実際、一般的な溶接方法と積層造形技術を比較すると、両者は驚くほど似ていることが簡単にわかります。

溶接方法は、一般的に、溶融溶接、ろう付け、圧力溶接の 3 つのカテゴリに分けられます。そのうち、溶融溶接にはアーク溶接、レーザー溶接、電子ビーム溶接、プラズマアーク溶接などが含まれ、圧力溶接には抵抗溶接、攪拌摩擦溶接、コールドスプレー溶接、超音波溶接などが含まれます。

一般的な金属添加技術には、アーク添加、レーザー粉末床溶融、レーザー指向性エネルギー堆積、電子ビームヒューズ添加、プラズマ添加、さらに最近徐々に注目を集めている攪拌摩擦添加、コールドスプレー添加などがあります。

画像出典: AMPower
この時点で結論は明らかです。アーク添加物だけが溶接技術ではなく、ほとんどの金属添加物技術は溶接技術と同じ起源を持っています。

この結論は予想外ですが、妥当です。なぜなら、溶接技術と積層技術は、互いに排他的または包含的な概念ではなかったからです。これらは、まったく異なる 2 つの視点から技術を定義および分類します。したがって、技術的な方法が溶接と付加の両方になることは完全に可能です。しかし、この結論は、すべての人の本当の疑問に答えているようには思えません。なぜなら、アーク添加剤が溶接であるかどうかと比較して、実際に誰もが聞きたいのは、溶接技術として、なぜアーク添加剤を単にアーク溶接と呼ぶのではなく、添加剤技術として定義するのか、ということだからです。

この質問の背後には、全員の間にある認知上の誤解が反映されているのかもしれません。金属積層造形や金属 3D プリントと言えば、まず思い浮かぶのはレーザー粉末床溶融結合 (SLM) 技術です。SLM は積層造形ですが、アーク積層造形はそうではないと考える人もいます。もちろん、これは理解できることです。なぜなら、SLM 技術は、現在、技術的成熟度と工業化のレベルが最も高いと考えられている金属付加製造技術だからです。しかし、効率、コスト、品質の制限により、SLM技術は小型で繊細な金属部品の積層造形に適していますが、アーク積層造形の自由成形環境では部品サイズにほとんど制限がなく、成形効率は1時間あたり数キログラムに達するため、中型から大型、超大型の複雑な金属部品の製造に適しています。近年、技術の成熟度と産業化レベルが徐々に産業応用レベルに達したため、徐々に注目を集めています。

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したがって、上記の質問に答えるには、まず「金属 3D プリント = SLM 技術」という固定観念を捨て去る必要があります。次に、積層造形とアーク積層造形の定義を理解することで答えを探します。

付加製造の定義: 3 次元モデルデータに基づいて材料を積み重ねて部品またはオブジェクトを製造するプロセス。

積層造形の定義から、3 つの重要な要素がわかります。
1 つ目はプロトタイピングです。これは、部品や物理的なオブジェクトのプロトタイピングやラピッドプロトタイピングに使用される積層造形の使用を指します。
2 つ目は、モデル駆動型であり、積層造形をデジタル技術として定義します。
3 つ目は、層ごとに積み重ねることです。これは、下から上へ、何もないところから何かあるところへという付加製造のプロセスを示しています。
これら 3 つの要素は、アーク積層造形と溶接の違いを正確に反映しています。
ワイヤアーク積層造形（WAAM）は、電気アークまたはプラズマアークを熱源として金属ワイヤを溶かし、プログラムまたはソフトウェア制御による層ごとのクラッディングの原理を採用し、3次元デジタルモデルに従ってワイヤ表面本体から製品の形状とサイズの要件に近い3次元金属ブランクを製造する高度なデジタル製造技術です。

違い 1: プロトタイピング Arc 積層造形は、ゼロからの直接プロトタイピングとラピッドプロトタイピングのプロセスです。一般的に言えば、溶接の応用シナリオには、ワークピースの接続と表面改質が含まれ、どちらも既存の部品を加工する手段です。したがって、応用シナリオの観点から見ると、アーク積層造形と溶接は異なります。アプリケーションシナリオが異なれば、目標と要件も異なります。積層造形に近いクラッディングを例に挙げてみましょう。

表面処理溶接は、材料の表面を改質するための経済的で迅速なプロセスであり、製品や機器の性能を向上させ、耐用年数を延ばし、コストを削減できるため、さまざまな産業分野で部品の製造や修理にますます使用されています。表面処理技術は表面工学の非常に重要な分野であり、特定の熱源を利用して特定の性能を持つ合金材料を母材の表面に堆積させ、母材に特別な性能を与えたり、部品を元の形状とサイズに戻したりする処理方法です。一般的な材料をベースに耐摩耗性、耐熱性、耐腐食性などの特殊な特性を持つクラッド層であるため、省エネ、材料節約、環境保護の面で大きな経済的メリットがあります。

アーク積層造形技術で成形された部品は、化学組成が均一で高密度の全溶接金属で作られています。層ごとに積み重ねるプロセス中に、部品は複数の加熱、急冷、焼き入れを経るため、大型鋳物に存在する硬化性の難しさ、マクロ偏析、強度と靭性の異方性の問題を解消できます。一方、アーク積層造形法は金型を必要とせず、工程数が少なくプロセスチェーンが短く、全体的な製造サイクルが短く、部品サイズにほとんど制限がなく自由な造形環境を実現します。造形効率は1時間あたり数キログラムに達するため、中型から大型、超大型の複雑な金属部品の製造に適しています。

違い 2: モデル駆動型 アーク積層造形は部品のラピッドプロトタイピングに使用されるため、アーク積層造形ワークフローの開始点は、CAD ソフトウェアを使用して独自に設計するか、視覚的な逆再構築によって生成されるかに関係なく、部品の 3 次元デジタルモデルである必要があります。溶接にはそのような要件はありません。具体的には、溶接工程は「点」や「線」の接続、あるいは「面」の被覆を完了するものであり、アーク積層造形は「ボディ」の蓄積を完了するものであり、この「ボディ」とは部品の 3 次元デジタルモデルです。

モデル駆動性の違いにより、プロセスプログラミング方法はまったく異なります。ロボット溶接やクラッディングの場合でも、パスの複雑さが低いため、ほとんどの場合、プログラミングは手動ティーチングまたは単純な軌道オフセットで完了できます。ただし、アーク積層造形法では、まずソフトウェアを使用して、対象ワークピースの 3 次元モデルを垂直方向または水平方向、または曲面上の 2D レイヤーに分解する必要があります。分解された各レイヤーは、実際の堆積レイヤーに対応します。アクチュエータは、ソフトウェアによって計画された数万以上の「空間ポイント」で構成される複雑な空間軌道に沿って溶融金属プールを駆動し、レイヤーごとに堆積して最終的に固体部品を形成します。このような複雑な空間軌道は、従来の溶接プログラミング方法では実現できず、専門的な CAM ソフトウェアに頼る必要があります。これが、ソフトウェアがアーク積層造形法の重要な技術分野である理由です。ソフトウェアの重要性の詳細については、前回の記事を参照してください。前回の記事にはより詳細な説明が記載されているため、ここでは詳しく説明しません。

違い3: レイヤーごとの積み重ね 前述したように、アーク積層造形は部品の 3 次元の「ボディ」の蓄積を完成させるためのもので、複雑な空間軌道に沿って材料を層ごとに積み重ねる必要があります。層ごとに積み重ねるプロセスは、軌道プログラミングの違い以上のものをもたらします。

アーク積層造形では、通常、部品を完成させるために数百、あるいは数千もの材料層が必要となり、プロセス品質の安定性とプロセス欠陥の即時特定および修復に対する要件が数桁増加します。積層プロセスで欠陥が発生し、時間内に特定および修復されない場合、製品全体が廃棄され、計り知れない損失が発生します。したがって、積層造形の品質を確保するためには、設備の安定性に対する高い要件に加えて、積層造形プロセス中に、プロセスパラメータ監視、形態監視、溶融プール監視などのさまざまなプロセス監視方法が必要になることが通常であり、その後、インテリジェントソフトウェアを使用してプロセス欠陥の特定と修復を支援します。

同時に、品質要件が異なるため、溶接分野における比較的成熟した標準、仕様、システムは参考用であり、アーク積層造形には適用できません。実際、アーク積層造形法の参考となる品質規格は、「GB/T 39253-2020 積層造形用金属材料の指向性エネルギー堆積プロセス仕様」や「GB/T 39254-2020 積層造形用金属部品の機械的特性評価一般規則」など、現在ほとんどありません。しかし、各業界の生産現場では、アーク積層造形法に適したプロセス仕様や試験規格がほとんどなく、プロセス認証が困難になっています。したがって、標準システムの確立と改善は、現在、アーク積層造形業界全体で最も懸念される問題であると言えるだけでなく、アーク積層造形技術のより広範な応用に影響を与える中核的な問題点であるとも言えます。しかし、標準化への道のりは長く、さらなる投資と幅広い参加が必要です。また、実践においては長期にわたるテストも必要です。私はこれからも探求を続けていくとしか言えません。

伝統の復活 今では、アーク積層造形と溶接の関係を誰もが明確に理解しているはずだと私は信じています。それは決して単に古いワインを新しいボトルに入れたものではなく、3000年にわたって受け継がれてきた伝統技術が、より多くの学問や技術分野を統合し、変革を経て生まれ変わったものなのです。しかし、さらに先を見据えると、溶接技術は知能化とデジタル化の方向へ絶えず発展しており、アーク積層技術も成熟と改善を続けるでしょう。近い将来、両者の境界はますます曖昧になり、融合して新たな可能性が生まれることになるのでしょうか。
待って見てみましょう。

業界の発展を促進するには、利用障壁の低いソフトウェアと専門的な技術人材が必要

あらゆる新興製造技術の開発には、機器、ソフトウェア、材料、技術、人材という 5 つの中核要素の協調的な開発が必要であり、これらはどれも欠かすことができません。
アーク積層技術は、そのプロセス自体が長い歴史を持つ溶接プロセスと同じ起源を持っているため、ロボット溶接アプリケーション市場の膨大な在庫と、それに対応する設備、プロセス、材料の経験の蓄積は、アーク積層技術の発展の土壌となるはずです。しかし、現実には、今日に至るまで、アーク付加技術の応用は依然としていくつかのシナリオに限られています。その理由は、初期のソフトウェアと人材の欠陥が業界の発展を制限していたためです。

専用の CAM ソフトウェアの出現と発展により、専門技術者に対する要件は引き続き低下し、ユーザーはプロセスと製品の開発にますます集中できるようになり、アーク積層造形技術の可能性を継続的に探求できると考えています。

Gezhi Academy + Yangou Technology: IungoPNT サブスクリプションサービスがユーザーに力を与える アーク付加技術を探求したいより多くのユーザーがより低いハードルでプロセスの検証と開発を実施できるようにし、業界の発展を促進するために、Gezhi AcademyとYangou Technologyは共同で、企業の研究開発と教育研究向けのIungoPNTソフトウェアサブスクリプションサービスを開始しました。

ソフトウェアのサブスクリプションバージョンには、IungoPNT 基本バージョンの 9 つのコア機能が含まれており、付加的なプロジェクト管理、マルチタスク管理、付加的なパラメータ構成、自動付加的なプログラム計画、ワンクリックの開始と停止、レイアウトシミュレーション、パスシミュレーション、プロセスパラメータのリアルタイム監視などが含まれます。

サブスクリプション料金は年間課金され、ユーザーは必要に応じて年間サブスクリプションを申し込むことができます。また、Yangou Boxを通じてハードウェアの導入を自分で迅速に完了し、既存のロボット溶接設備をアーク積層システムにアップグレードできるため、ユーザーの初期投資を大幅に節約できます。
サブスクリプションサービスには、第1回全国競技トレーニングキャンプの元教育研究チームが作成したアーク添加剤機器操作認定コースと完全なオンラインナレッジベースが付属しており、ユーザーの技術担当者が基礎知識ゼロですぐに開始できるようにし、ユーザーの能力をさらに高めます。

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