ケーススタディ: 金属積層造形によって流体マニホールドをどのように最適化できるか?

この投稿は、Little Soft Bear によって 2021-10-27 14:03 に最後に編集されました。

出典: 3DSYSTEMS

流体マニホールドは、2 つ以上の流体パイプまたはチャネルを接続するコンポーネントです。概念的には単純ですが、これらのコンポーネントは、属するシステムにおいて重要な役割を果たします。流体マニホールドのパフォーマンスを向上させることで、システム全体のパフォーマンスを向上させることができます。従来の製造プロセスでは、制限により流体マニホールドを最適化できないことがよくあります。過剰な重量とかさばり、鋭い角、停滞した領域、複数の漏れのある接続ポイントなどの問題がよく発生します。

金属付加製造 (AM) により、従来の製造では不可能な方法で流体マニホールドを最適化できます。積層造形に最適化されたコンポーネントは全体として設計されており、組み立て作業を必要とせず、有機的な薄壁形状を生成でき、最終コンポーネントの重量と体積も削減できます。これらの利点は、クリーンな環境内に多数の流体導管を含む高密度で高速移動するコンポーネントを備えた半導体装置などのアプリケーションで特に有益です。付加製造されたコンポーネントは、より優れたパフォーマンスを提供するように設計されており、一部のアプリケーションでは干渉力が最大 90% 削減されることが測定されています。

流体マニホールドの従来の製造における既存の設計は、これらのプロセスの制限に対処するように構築されているため、非効率的であることが多いです。このため、最適化された AM マニホールドを最初から設計することをお勧めします。しかし、良いニュースとしては、積層造形に適したマニホールド設計に到達するまでに、通常は 1 回か 2 回の設計反復しかかからないことです。
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積層造形された流体マニホールドの例 付加的に製造された流体マニホールドは、さまざまな業界で使用される高速移動コンポーネントの流体接続に使用されます。このようなパフォーマンス重視の環境では、積層造形最適化によってもたらされる利点が重要です。付加製造により、重量を軽減して慣性効果を高め、鋭角な角を排除して圧力降下や干渉をより適切に制御し、接続ポイントを最小限に抑えて漏れのリスクを軽減できます。

流体マニホールドアプリケーションにおける積層造形の採用を推進する主な要因 積層造形を使用する利点は、多くの場合相互に関連しています。限られたスペースによるパッケージングなど、プロジェクトの主な目的に関係なく、これらすべての利点は、主な目的を超えて製品のパフォーマンスを拡張する巧妙な設計戦略（重量の削減やフローの改善など）を通じて実現できます。流体マニホールドアプリケーションにおける積層造形の採用を推進する主な要因は次のとおりです。

●軽量化軽量化は、レーシングカーや半導体装置など、高速で移動するシステムのコンポーネントに特に大きな影響を与えます。積層造形設計戦略により、強度を維持または向上させながら質量を削減できます。

●薄壁積層造形により、0.3mmという薄壁を実現できます。より薄い壁の部品を製造すると、部品の重量とコストを削減できます。

●有機的な形状により、鋭い角をなくし、製造重視の形状から性能重視の形状に適応させることで、マニホールド内の乱流や停滞領域を減らします。
• 部品の数を減らし、密閉性と漏れ防止性を向上させます。付加製造により、複数の部品で構成されるアセンブリをより少数の部品、あるいは単一の部品に統合できます。組み立て作業を削減または排除することで、既知の障害点が排除され、信頼性とコンポーネントの寿命が向上します。

壁厚はわずか0.3mm ●形状は機能に従う従来の製造には一定の限界があります。マニホールドが従来の製造プロセス専用に設計されている場合、それに応じてマニホールドを調整する必要があり、その結果、必要なコンポーネントのフットプリントが増大したり、パフォーマンスが低下したりすることがよくあります。付加製造により、意図した機能に対する理論上の最適値に基づいてマニホールドを設計および製造することが容易になり、マニホールドのパフォーマンスが向上します。

入手可能な一般的な金属:
• チタン合金グレード5/23
• インコネル 718/625
•アルミニウム
• ステンレススチール316L

積層造形の利点
• 軽量コンポーネント
• 継ぎ目のない薄肉部品
• 形状最適化設計（流体フロートポロジー最適化のためのジェネレーティブデザインソフトウェアを使用した設計を含む）
• 機能最適化設計（ケーブルガイド、パイプクランプなどの他の機能の統合）
• 合理化された生産プロセスにより市場投入までの時間を短縮

ワークフローソリューションとベストプラクティス
1. 積層造形のための設計のヒント 付加製造を最大限に活用するには、それに合わせた設計が重要です。既存の設計を積層造形に適したものに修正するのではなく、制約と実現したい理想的な機能に基づいて設計を開始します。そこから、必要な場所に材料を追加して、必要な形状と機能を作成します。これは、必要のない場所の材料を除去する従来の製造方法とは異なります。

2. 書類の準備 適切なファイル準備では、印刷プロセスと後処理の両方を考慮に入れます。将来的に一部の操作が制限される可能性があることに留意し、それに応じて計画を立ててください。たとえば、内部フィーチャに対して NC 操作を実行することはできないため、この時点で、この問題を完全に考慮して部品を設計したり、ファイルを準備したりするにはどうすればよいか疑問に思うかもしれません。何度もデザインを変えて

3. 印刷設定とパラメータ
3D Systems のダイレクトメタルプリンティング (DMP) ソリューションには、ユーザーに組み込みの AM 専門知識を提供する検証済みのパラメータがあり、あらゆる AM 熟練度のユーザーに推奨されます。特殊なパラメトリックソリューションについては、最良の結果を得るために、3D Systems アプリケーションイノベーショングループの専門家に相談することをお勧めします。

4. 後処理 アプリケーションに合わせた後処理の推奨事項については、当社のアプリケーションイノベーショングループの専門家にご相談ください。一般的に、洗浄と研磨には液体を使用することをお勧めします。これらのプロセスは、積層造形を使用して生成される有機的な形状に適しているためです。さらに、後処理から関連するフィードバックを取得し、これらの洞察を使用して部品設計またはファイル準備のいずれかを改良および改善することを強くお勧めします。

5. ソリューションのコンポーネント
プリンター
3D Systems の金属 3D プリンターは、マニホールドを印刷するためのソリューションになります。

ソフトウェア
3DXpert® は、設計やファイルの準備から印刷設定やパラメータまで、すべてのプロセスをカバーする 3D Systems の統合型積層製造ワークフローソフトウェアです。

材料
• チタン合金グレード5/23（それぞれLaserForm Ti Gr5（A）およびLaserForm Ti Gr23（A）：高い強度対重量比、高い耐腐食性
• インコネル 718/625（それぞれLaserForm Ni718 (A) およびLaserForm Ni625 (A)/(B)）：高温環境でも強度を維持
• アルミニウム（LaserForm AlSi10Mg（A）、LaserForm AlSi7Mg0.6（A）、LaserForm AlSi12（B））：非常に軽量
• ステンレス鋼316L（LaserForm 316L（A））：一般的な工業材料、耐腐食性が強く、研磨しやすい

6. 成功の鍵となる要素 適切な付加製造ソリューションは、成功を確実にする要素の 1 つにすぎません。積層造形をどのように導入、統合、実装するかがすべて、成功を達成する上で重要な役割を果たします。

始めましょう – 技術力を高める

社内に少なくとも 1 人の訓練を受けた AM エキスパートがいると、企業による AM 導入の成功に大きく貢献できます。 3D Systems は、アプリケーションイノベーショングループを通じてさまざまなトレーニングを提供し、技術プロフェッショナルの知識を最新の状態に保ち、適切なスタートを切れるように支援します。

統合 – 専門家が技術移転と部門間のコミュニケーションを主導

3D Systems の技術移転サービスでは、積層造形をできるだけ早く開始できるように、積層造形と後処理に関する専門家主導の製品開発サポートを提供し、ドキュメントと知識を生産現場に移転します。生産を容易にするためには、設計者、AM の専門家、後処理の専門家の間での定期的なコミュニケーションが不可欠です。