3Dプリントの大型切削工具、軽量化の利点が機械加工業界に変化をもたらす

はじめに: CNC 加工業界では、より大きなワークピースを加工するには、より大きく重い切削工具が必要です。切削工具は主に従来の粉末冶金法で作られていますが、構造が複雑な大型のワークピースになると、それに応じて製造コストも増加します。複雑で大型のワークピースの困難な成形問題を解決するために、メーカーは積層造形に注目しています。
2022年4月16日、南極熊は、海外メーカーのStar SU Neherが3Dプリント技術を使用して、軽量で多機能な大型工具部品を生産し、工具の寿命と性能を向上させたことを知りました。
航空宇宙や自動車などの最終市場では大型部品の需要が高まっており、大型の切削工具の必要性も高まっています。これは、ステータハウジングが 230 mm を超える可能性がある電気自動車の場合に特に当てはまります。しかし、切削工具が大きくなると重量が増し、スピンドルの損傷、工具がスピンドルから外れたり、騒音が増大したりするなど、さまざまな問題が発生する可能性があります。これらの問題を回避するために、メーカーは特別に設計されたスピンドルインターフェースを備えた工作機械に投資する必要があるかもしれません。これらの懸念から、航空宇宙業界では切削工具の重量を制限するガイドラインも策定されています。
△StarSU Neherは3Dプリント技術を使用して、一部のナイフの重量を軽減しています。写真提供：Star SU Neher 切削工具の重量増加に対処するために、Star SU Neher は別のアプローチを採用しました。切削工具を 3D プリントすることで、大型フライスカッターが重量要件に準拠するだけでなく、その性能と寿命が従来のものを上回ることが保証されます。
CNC 業界におけるツールの製造<br /> 3D プリントツールのほとんどは一体型設計 (剛性を高めるためにシャンクがツール本体に統合されている) であり、リーマ加工、丸め加工、フライス加工、面取り加工に使用されます。 Star SU のラウンドツール販売マネージャー、ジェイミー・ダンバック氏は、より大きな特徴を加工するためにさまざまな形状のツールが使用され、かなり大きく複雑になる可能性があると語った。 Neher Group のツール設計者 Christian Matheis 氏は、ハニカムのような内部格子構造を追加することで、ねじり強度を損なうことなくツールの重量を 30 パーセント削減できると述べています。
同社では、いくつかの標準的なツール本体（さまざまなエッジ形状でカスタマイズ可能な NEHMO Long Life シリーズなど）を 3D プリントしていますが、3D プリントされたツールの 99 パーセントはカスタムです。「私たちは部品のニーズに基づいて各ツールを設計します」とマタイス氏は説明します。「すべての 3D プリントはドイツのネハー社の施設で行われ、DMG MORI Lasertec 30 Dual 選択的レーザー溶融 (SLM) システムを使用して、チタン、アルミニウム、スチール、ステンレス鋼のツール部品を製造しています」と彼は付け加えます。
△選択的レーザー溶融（SLM）システム上の3Dプリントツール
軽量切削工具の利点<br /> 切削工具を航空宇宙産業の要件に適合させることに加えて、軽量化によってさまざまな利点がもたらされます。まず、工作機械による加工が容易になります。「特にスピンドルの予防保守が減ります」とダンバック氏は説明します。「さらに、軽量の切削工具はスピンドルから落ちる可能性が低くなります。これは、特に水平加工センターでは大きな問題です。また、より静音なので、ユーザーは OSHAA の騒音要件を満たすことができ、より幅広い工作機械で動作できます。たとえば、HSK 63 スピンドルインターフェースを備えたマシンでは、HSK 100 インターフェースを必要とする重い切削工具は動作しません。ただし、同じツールの 3D プリントバージョンは、HSK 63 インターフェースに収まるほど軽量になる可能性があります。」
ツール本体に内部格子構造を追加することで、ツール設計者はねじり強度を維持しながら重量を最大 30% 削減できます。
マセイス氏は、3DプリントされたNEHMO Long Lifeフェースミリングカッターのテストでも、従来製造されたカッターに比べて工具寿命が最大40パーセント向上したことが示されたと述べた。その理由の 1 つは、3D プリントによりメーカーが切削工具に最適化された冷却チャネルを追加できるようになるためです。従来、切削工具の冷却液通路はドリルで開けられており、その設計が制限され、したがってその有効性も制限されていました。 3D プリントされたツールには、刃先に冷却剤をより効率的に供給するためのチャネルを組み込むことができます。マセイス氏によると、冷却剤の流れを改善することで金属除去率が 30 パーセント向上し、ユーザーが最小量潤滑 (MQL) を実現できるようになります。
3D プリントされたツールはバランスも優れているため、ツールの寿命がさらに長くなります。 Matheis 氏によると、これは 3D プリントプロセスの精度とパッシブ減衰器を追加できる可能性によるところが大きいとのことです。
さらに、3D プリントにより、ツール設計者はチップの排出を支援する機能を追加できるようになります。マセイス氏によると、内部の冷却チャネルが切りくずを工具を通して作業領域から排出する。ツール設計にチップガイドを組み込むと、チップの排出がさらに促進されます。
△軽量化に加え、3D プリントにより、ツール設計者は最適化されたチャネルを追加して、刃先への冷却剤の流れを直接制御できるようになります。同社によれば、これにより工具寿命が 40%、金属除去率が 30% 向上し、ユーザーが最小限の潤滑を実施できるようになるという。部品が 1 回限りであるため、3D プリントはカスタムツールに最適です。 Matheis 氏によると、3D プリントは必ずしも従来の機械加工よりも速いわけではありません (プリントベッド全体を占める大きなツール本体の製造には約 24 時間かかりますが、小さなツール本体を 1 回のバッチで複数印刷することもできます) が、必要な機械とプロセスは削減されます。従来の機械加工された工具本体にはフライス加工と旋削加工が必要ですが、3D プリントされた工具本体の後処理は通常、PCD チップを工具本体にろう付けし、刃先をレーザー加工または侵食することに限られます。
ダンバック氏は、3Dプリントされた工具のろう付けされたインサートは、従来の機械加工された切削工具と同じくらい何度も修理できると語る。さらに、ドイツで印刷されたツールであっても、北米の同社の施設で修理することができます。「当社はミシガン州ファーミントンヒルズに施設を持っており、そこではツールを迅速に修理したり交換したりすることができます」と彼は語った。

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