インガソルとMELDが協力し、車両サイズの部品を印刷できる超大型金属3Dプリンターを開発

2022年6月19日、アンタークティックベアは、米国陸軍DEVCOM-GVSCマテリアル、積層造形（デトロイト兵器廠、ミシガン州ウォーレン）のノーバート・J・コットがSMEウェブサイトに記事を掲載し、LFAM 3Dプリンターメーカーのインガソル（カモッツィグループの一員）およびバージニア州に拠点を置くMELDマニュファクチャリングと協力し、インターフェースフリーの車両を構築するプロジェクトを実施していることを知りました。このプロジェクトの目標は、車両全体ほどの大きさの部品を製造できる超大型金属3Dプリンターを開発することです。

ノーインターフェース車両プロジェクトの目標は、溶接箇所の少ない車体を作成し、車体全体の耐攻撃性を直接的に向上させることです。鍛造、成形、溶接などの従来の製造プロセスでは、車両プログラムのニーズを十分に満たすことができません。一方、積層造形（AM）技術は、材料処理と柔軟な製造に新たな機会をもたらし、新しい車両コンセプトを生み出すまったく新しい方法を提供します。

コット氏は記事の中で次のように述べている。「車体全体など、大型の金属部品を作成する積層造形システムの能力は、まだ初期段階にあります。一部の金属積層造形機能はサイズが限られており、大型の造形は 1 つの平面または軸でしかできないことが判明しています。市販の金属積層造形システムは、通常、最大造形体積が 1x1x1m であり、すでに多くの用途に活用されています。」
大規模な造形を実現できる印刷システムには、Sciaky の EBAM マシンや、DMG Mori や Trumpf などの企業の大規模 DED システムなどがあります。これらの印刷システムは大型部品を製造できますが、金属粉末をベースとしているため、依然としてコストがかかります。大きな部品を印刷するには大量の材料が必要であり、プロセス中の材料の取り扱いも重要な考慮事項となります。粉末（または吹き付け粉末）指向性エネルギー堆積システムは、より大きなサイズに拡張できることが実証されていますが、粉末ベッドベースの技術ではそれが実証されていません。これらの技術の開発は進行中ですが、金属粉末の取り扱いと処理に関連する固有の課題は依然として残っており、システムの規模が大きくなるにつれて課題はさらに拡大するでしょう。近年、他の大面積積層造形 (AM) システム (長さ最大 7 メートル) が実証されていますが、最も顕著なのはポリマーや繊維強化材料の処理用であり、そのため主にツール用途に限定されています。

「既存の技術と機械の能力を、特に金属分野での幅広い大規模アプリケーションに導入できる汎用的な能力を備えた、より大きなプラットフォームに拡張する必要がある」とコット氏は結論付けた。
ASTRO America、ALMII、および米国陸軍 DEVCOM-GVSC は、シームレス車両船体プロジェクトで協力しています。このスポンサー付きプロジェクトでは、米国陸軍ロックアイランド兵器廠向けに大規模な金属 AM システムを開発し、陸軍地上車両における大型金属部品のより一般的な使用を促進します。このプログラムのビジョンは、さまざまな業界で歴史的に実績のある大型工作機械と付加製造技術を組み合わせて、生産サイクル時間を短縮することです。結果として得られる機能により、地上車両システムだけでなく、あらゆる大規模アプリケーションにおいて、これまでに見たことのない、またはアクセスできない規模の金属積層造形が可能になります。このような大型の金属部品を印刷できる能力により、新たな用途が開拓され、積層造形プロセスの有用性が拡大します。
シームレスボディプロジェクトでは、2 つの異なるマシンが作成および配信されます。最初のマシンは、最大 1 x 1 x 1 メートルのサイズの部品を印刷および処理できるようになります。このマシンは、マシンのサイズ制限内にある部品を印刷するためのプロセス開発、印刷戦略、印刷パス計画に使用されます。 2 台目の大型マシンは、10 x 6.5 x 4 m (長さ x 幅 x 高さ) の造形容積内で部品を印刷および処理することができ、公開されている最大の金属 AM システムとなります。

インガソル社と MELD 社は、ジョイントレス車両ボディプログラムで米国陸軍と協力し、車両規模の部品用の金属 3D プリンターを開発しています。この大規模システムの基本アーキテクチャは、現在市場で最大の複合 AM システムを開発した Ingersoll Machine Tools (Camozzi Group の一部) によって提供されます。インガソル社は、最大7メートルの長さの部品を生産できる巨大なガントリーシステムを稼働させるために、シーメンス社の部品とソフトウェアを使用している。多軸、CNC ベースのアプリケーションとプロセスシミュレーションに重点を置いたこのプログラムには、シーメンスのチームも参加することが選ばれました。
MELD プロセス (Additive Friction Stir Deposition とも呼ばれる) の開発者であるMELD Manufacturing は、これらの大型金属 AM マシンの付加的な部分を可能にする堆積システムを製造および提供しています。同社の特許取得済みの加工技術は、強力な塑性変形を利用して堆積点に材料を堆積させる固体プロセスで鍛造原料を使用します。
△積層造形摩擦攪拌積層技術。写真提供：MELD Manufacturing。
ジョイントレスボディプロジェクトでは、市販されているすべての金属積層造形技術が検討されました。大型マシンはトラバースガントリーマシンとして構成されており、金属印刷および処理ツールが 1 つの軸 (Z 方向) に直接取り付けられています。この構成は、大型の（重い）金属部品の取り扱いに適しており、製造方法を柔軟に操作できます。
MELD Manufacturing が開発した独自の摩擦撹拌ベースの付加製造プロセスは、大規模システムのサイズと材料の要件を満たすのに最も有望であると考えられています。この方法では、中空の回転シャフトを使用し、それを通して材料を供給して基板上に堆積させます。このアプローチでは、プロセス中に生じるストレスと蓄積を減らすために、低温での AM 手法を採用しています。

MELDプロセスは、融点以下の温度で材料を堆積および処理するために使用される固体付加製造 (AM) 技術です。 MELD で製造された部品は完全に高密度であるため、空隙や多孔性などの体積欠陥を除去するための二次操作は必要ありません。材料は融点以下の温度で印刷されるため、このシステムでは特殊なチャンバーは必要ありません。未開発の次世代材料はさらに優れた性能を発揮する可能性があります。
No-Interface Carbodyプロジェクトの最終目標は、大型の金属構造物を迅速に製造し、金属材料の幅広い応用を促進するシステムを開発することです。ミシガン州デトロイトのアメリカ軽量素材製造イノベーション研究所（ALMII）がこのプロジェクトに貢献した。

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