アーク金属3Dプリントの未来：鋳造業界の一部を置き換える

はじめに: 従来の鋳造処理モードと比較して、電気アーク積層造形 (WAAM) は、ワークピースの納期を大幅に短縮し、より多くの設計の可能性を提供します。即時生産能力により、「今日設計、明日生産」という新しい製造モデルを完璧に実現できます。
△南京エニグマの小型アーク金属3Dプリンター

リンカーン・エレクトリック・アディティブ・ソリューションズの事業開発マネージャー、マーク・ダグラス氏は次のように語っています。「鋳物の製造は、従来の製造モデルの複数のステップによって制限されるため、複雑で時間のかかるプロセスです。今日、私たちのパートナーの1つであるオハイオ州のユークリッドは、18台のWAAMロボットを使用して、金属堆積による3Dプリントを通じて大型金属部品の製造機能を提供し、鋳造ワークピースを置き換える効果を実現しました。この技術の利点は、サプライチェーンが混乱し、拡張されたCOVID-19パンデミック中に明らかになりました。積層造形は3〜4週間で大型金属部品を提供できますが、鋳造による同じ部品のリードタイムは簡単にその5倍になり、パンデミック時にはさらに長くなる可能性があります。」

△WAAMによる大型部品の生産
上の写真は、オハイオ州ユークリッドにあるリンカーン・エレクトリックの付加製造施設で製造されている部品です。これは、アーティストのジェニー・セイビンがネブラスカ大学メディカルセンターのために制作した彫刻です。長さは約 2 メートルに見えますが、これは WAAM が非常に大きな構造物を製造できる自由度の高さも示しています。このような大きな部品を溶接して非常に大きな形状を作成することができます。ダグラス氏 (右) が説明するように、溶接はワイヤアーク積層造形プロセスの基礎だからです。

アーク積層造形の価値

しかし、アーク積層造形技術の価値とは何でしょうか?ダグラス氏は次のように説明した。「この質問に対する正確な答えがないということは、WAAM を鋳造に代わる部分的な役割を果たす新しい生産モードと見なす必要があるということかもしれません。

実際、積層造形は設計の自由度が非常に高く、複雑な部品形状や材料の組み合わせが可能になるだけでなく、製造プロセス中に自由に設計を変更できる機会も得られます。付加製造は、従来のプロセスに比べて合理化された生産プロセスの選択においてはるかに大きな自由度を提供し、リードタイムを大幅に短縮する可能性がありますが、業界には一般に、これらの利点を評価するための標準的な尺度や方法がありません。

アーク積層造形の限界

もちろん、アーク金属 3D プリントには他の制限もあります。ワイヤアーク添加剤のワイヤはプロセスに適した形で供給する必要があるため、材料コストもその 1 つです。「数百、数千の部品の注文ではコスト競争力がないため、量産では間違いなく鋳造が勝るでしょう」とダグラス氏は言います。「しかし、数量が 10 個程度であれば積層造形が勝ります。ただし、現在鋳造で生産されている生産部品の多くも小ロットで生産されています。積層造形がもたらす自由度により、形状を変更してより多様な部品群を形成することが容易になり、時間の経過とともに、この範囲に含まれる作業が増えることが予想されます。」

△ クリーブランド地域の Additive Solutions Factory では、機械自動化 WAAM を使用しています。
上の画像が示すように、作業スペースの周囲にさまざまな角度で材料を配置する場合、ロボットは密閉型の機械よりも自由度が高くなります。同時に、金属堆積法で製造された溶接部品は内部品質がより安定しており、その性能は鍛造材料に近くなります。これも WAAM 技術の強力な製造能力を裏付けています。

応募の見通し

WAAM は製造ツールの面で飛躍的な進歩を遂げました。現在、航空宇宙産業やその他の製造業者は、主に WAAM システムを使用して金属および複合材ツールを製造しており、リードタイムを短縮し、部品の製造をスピードアップできます。クリーブランドの大型ロボット WAAM は、他の 3D 印刷プロセスと同じルートをたどります。 WAAM の特徴は、従来の溶接技術とは根本的に異なるものの、その原理が 1 世紀以上にわたって使用されてきた溶接プロセスに基づいているため、広く受け入れられ、理解されていることです。

現在、WAAM 技術の主な用途は、航空業界の大型ツールです。上の写真は、作業面が Invar によって 3D プリントされた複合材レイアップツールを示しています。

リンカーン・エレクトリックは 125 年にわたり溶接を専門としており、同社の溶接システムを利用する大手顧客を抱えています。その中には、積層造形の柔軟性とコスト削減の可能性を実現することにも関心を持つ、有名な重工業 OEM も含まれています。さらに、リンカーンエレクトリックは、電源、溶接ガン、材料など、溶接システムのすべてのコンポーネントを自社内で開発および製造していることでも知られています。

△WAAMが製造したマルチインターフェース上の写真は、WAAMが製造したパイプジョイントのデモンストレーション作品です。施工層線がすべて平行ではないことに注意してください。これは、ロボットによる堆積により、同じサイクルでさまざまな角度でさまざまなフィーチャを構築できるためです。この作業は、海洋石油プラットフォームを建設する際に、マルチチャネルジョイントの代替として積層造形を使用する実現可能性を調査するためのものです。

WAAM の品質に影響を与える要因

WAAM は溶接ですが、微細な溶接部の積み重ねを伴う連続溶接であるため、堆積、冶金、機械の自動化、さらには仕上げなど、プロセスに関係するすべてのプロセスに課題が生じます。さらに、ソフトウェアも WAAM の品質を決定する重要な要素です。溶接による堆積は、ツールパス（またはガンの通過）の問題だけではなく、電流波形の周波数と振幅によっても影響を受けます。「従来の CAM ソフトウェア会社が WAAM プロセスに特化したソフトウェアを開発することは考えられませんでしたが、リンカーン社はそれを実現しました」とダグラス氏は語ります。

溶接材料も重要な要素です。WAAM では標準的なワイヤ材料を使用できますが、スプールから引き出されるワイヤのねじれを修正し、制御された堆積のためにワイヤを十分に送り込む方法は、WAAM を最適化するために解決する必要がある問題です。

WAAM テクノロジーのもう 1 つの有望な使用例は大型機械の交換部品であり、現在リンカーンエレクトリック社内でも研究が進行中です。ダグラス氏は、「メーカーによる付加製造技術の現在の受け入れと応用のレベルから、この技術を継続的に改善し、市場を拡大するために、この技術の使用をさらに促進する必要がある」と述べた。

WAAM で製造された部品は、サプライチェーンが極めて短く、海外の鋳造所から出荷される大型鋳物と比較して、金属 3D プリントでは、同一部品の現地製造・加工を完全に実現し、同一地域の顧客に出荷することができます。

ロボットが背景の部品の上部に到達し、すべてを 1 サイクルで印刷できるだけの高さを確保するために、リンカーンエレクトリックはまず、ロボットが搭載される前景のベースを 3D プリントしました。

比較的少量の大型鋳造品を必要とする購入者にとって、WAAM はまさに合理的な選択肢です。たとえば、圧力容器は以前は鋳造で製造されていましたが、このプロセスでは最大 16 ～ 18 週間の遅延が発生していましたが、WAAM を使用するとこの時間を 4 ～ 5 週間に短縮できます。容器ブランクは WAAM によって仕上げられ、その後仕上げ作業が行われ、優れた冶金特性と相まって、コンポーネントの完全な納品が可能になります。しかし、WAAM コンポーネントの実用化にはまだいくつかの障害があります。ASME 規格に従って製造されるこれらのコンテナは、特定の仕様を満たす溶接手順を使用する必要があります。問題は、WAAM 溶接手順の標準化された識別方法が存在しないことです。

WAAMの標準化への道

WAAM 規格は重要であり、圧力容器メーカーが従わなければならない規則です。業界標準の重要な役割は、期待される部品の性能と品質を定義するために、業界が一般的に従うベースラインを設定することです。 WAAM を使用するには、何らかの方法でこれらの標準に準拠する必要があります。

WAAM は溶接に似ていますが、溶接ではありません。主な違いは、溶接では連続堆積が必要ないのに対し、積層造形では必要となることです。図に示すテスト設定では、ノズル寿命評価の一環としてパイプ上で 3D プリントを実行し、この違いを調査しました。

リンカーンエレクトリックは2021年10月末、WAAMの標準化に一定の進展があったと発表した。 Lincoln Electric Additive Solutions チームのメンバーが参加した議論のおかげで、関連する ASME コードに、ガス金属アーク積層造形を認定する方法が追加されました。軟鋼合金を使用する WAAM プログラムは、このシステムに従って認定されています。

ダグラス氏は、アーク積層造形を進化させるには、関連する業界システムや標準に合わせることが必要であり、それはもはや技術開発の問題ではないと述べた。技術開発はまだ進行中ですが、技術は十分に成熟しており、小規模生産も実現しています。現在、より大きな課題は、人々がまだ WAAM に信頼を寄せているかどうかです。 WAAM の収益性をどのように達成するか? WAAM 業界の将来の生産モデルはどうなるのでしょうか? Antarctic Bear もこれらの質問の答えを知りたいと思っていますが、確かなのは、現在積層造形分野の主な研究方向となっている WAAM が、将来的にはより成熟した標準化された道へと確実に進むということです。

中国におけるアーク金属 3D プリント

Antarctic Bearによると、中国にも優れたアークヒューズ金属3Dプリントメーカーがいくつかあり、特にNanjing Inigmaがそうだ。アーク積層造形に関して、南京イニグマは業界で最も古い企業の一つです。同社は10年間この業界に深く関わっており、設備、プロセス、ソフトウェア、材料を含むアーク積層造形技術のすべてを習得しており、現在中国だけでなく国際的にも主導的な地位を占めています。

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