BASF FDM金属3Dプリントディーゼルエンジン部品は、リープヘル社の量産化に貢献すると期待されている。

南極熊の紹介：ステンレス鋼のFDM金属3Dプリントは、大型ディーゼルエンジンブラケット部品にうまく適用され、高い性能要件を満たし、比較的低コストで、大量生産が期待されています。

企業が付加製造技術を通じて従来の製造方法を変えたい場合、経験豊富で信頼できる 3D プリントの専門パートナーを選ぶことが成功の鍵となります。 Forward AM は、専門的な付加製造コンサルティングサービスと仮想エンジニアリングの深い専門知識を活用して、世界有数の建設機械メーカーである Liebherr のコンポーネント部門に金属ワイヤと付加製造コンサルティングサービスを提供しています。これにより、Liebherr は「付加製造の考え方」を確立し、量産化が期待される最初のコンポーネントプロトタイプを 3D プリントすることができます。

現在、リープヘル社の部品部門はさらなる変革を開始しており、リープヘルグループの他の生産部門でも積層造形技術の活用を推進する計画を立てています。 Liebherr Components は、Forward AM Ultrafuse® 316L 金属 3D プリントフィラメントの発売に続き、Forward AM の高度なポリマー粉末、エンジニアリンググレードのプラスチックフィラメント、多目的樹脂の全製品を同部門のグローバル生産に統合する予定です。

では、Liebherr 社が BASF Forward AM を選んだ理由は何でしょうか?両社がどのように提携関係を築いたかを見てみましょう。
△ Liebherr Components と Forward AM の協力プロジェクトのタイムラインと主なイベント (画像提供: Liebherr Components)
課題: 付加製造の考え方を養う<br /> フランスのリープヘルSAS工場では、重機用の大型ディーゼルエンジンの開発、設計、組み立て、テストを行っています。下の写真に示すように、一見目立たない部品こそが、リープヘル社の部品部門が3Dプリントへの移行に成功した結果である。同社の重機や発電設備を駆動するエンジンを固定するブラケットである。
△プリントされたブラケット（赤い部分）がガードレール（黄色い部分）を支えています（画像提供：リープヘル部品部門）
ソリューション: 仮想エンジニアリングから最終的なステンレス鋼部品まで<br /> Liebherr 社のコンポーネント部門は積層造形に興味を持ち、この技術、特にコスト効率に優れた溶融金属製造技術を金属部品の製造にどのように使用できるかについて詳しく知るために Forward AM に連絡しました。

Forward AM は最先端の仮想エンジニアリングサービスにより、個々の部品の最適化に至るまで、付加製造技術の使用が業界やビジネスにもたらすメリットをクライアントが特定できるよう支援します。 Forward AM の仮想エンジニアは、関連知識を完全に共有し、同時にコンサルティングサービスを提供することで、Liebherr のコンポーネント部門の 3D 印刷技術の導入を支援しました。エンジンブラケットのプロトタイプを製作することを決定した後、Liebherr Components と Forward AM は、エンジンブラケットのデジタルシミュレーション最適化を実行し、その後の概念実証フェーズで物理的な部品を製作しました。

△Ultrafuse® 316Lステンレス鋼線から印刷されたエンジンブラケット（写真提供：Liebherr Components）
企業は、大規模な積層造形プロセスへの移行を準備する前に、この技術によって最終的に製造される部品が自社のエンジニアリング要件と仕様を満たし、精度、信頼性、安定性、安全性の基準を満たしていることに確信を持たなければなりません。リープヘル社を納得させるために、フォワード AM の仮想エンジニアはデジタルシミュレーションを使用して、新しい材料がどのように動作するかを正確に予測し、最終的なブラケットがエンジンに取り付けられたときにどのように機能するかを実証しました。
BASF が開発したソフトウェアスイートである Ultrasim® は、Forward AM が広範なシミュレーションと仮想エンジニアリングの取り組みに使用する重要なツールです。 Ultrasim® を使用すると、シミュレーションの専門家は材料の複雑な特性と動作を非常に正確に組み込むことができます。

材料の選択に関しては、Forward AM は、Liebherr コンポーネントの性能要件を満たす治具、固定具、スペアパーツ、機能プロトタイプの製造に最適な Ultrafuse® 316L 先進金属ワイヤを選択しました。

最終部品の要件が明確になると、Forward AM の仮想エンジニアは、コンセプトから最終製品までの完全な開発プロセスの設計を開始します。この部品は従来の製造方法を使用して設計および製造されていたため、最初のステップは、積層造形を最大限に活用して、デジタルトポロジー最適化を通じて最適な部品構造を決定することでした。このプロセスは、仮想エンジニアリングに依存し、3D プリント設計を使用することによってのみ可能になり、自由度が大幅に向上します。

△ステップ 1: トポロジー最適化 - 黄色の矢印は、コンポーネントに作用する機械的応力を示します (画像提供: Forward AM)。
エンジニアは、実際の動作中に発生する機械的応力に基づいて、最適なコンポーネント構造を仮想的に決定します。デジタルシミュレーションにより、ネジ用の切り欠きなど、コンポーネントに残しておく必要のある領域や、機械的または熱的な大きな負荷をかけずに材料を除去できる領域が明らかになります。

トポロジー最適化により、最終的にまったく新しいコンポーネント構造が実現し、重量が大幅に軽減されました。そこで、Forward AM の仮想エンジニアは、3D プリントでのみ可能な設計手法を採用しました。つまり、コンポーネントの充填部分に格子構造を使用することで、機能性と安定性を損なうことなく、コンポーネント構造の重量を大幅に削減することができました。
△トポロジー最適化された金属 3D プリント設計 (画像提供: Forward AM)。
必要な部分にのみ材料を使用し、格子充填構造を組み込むことで、再設計されたブラケットの総重量は 343 グラムから 167 グラムに軽減され、50% 以上の軽量化が実現しました。理論的には、重量が減ると個々の部品の製造コストが下がり、使用する材料も少なくなるため、製造プロセス中の印刷時間が短縮されます。

構造シミュレーションプロセスでは、Forward AM は印刷されたばかりの部品をシミュレーションし、その後、脱バインダーと焼結をシミュレーションして最終部品を取得します。同時に、仮想 3D プリントエンジンブラケットの取り付けと操作を通じて、その機械的ストレスと温度ストレス耐性の性能を元のブラケットと比較することができ、それによって格子構造が実際の過酷な条件下で期待される性能を達成できることが保証されます。

△ 構造シミュレーションを適用して、部品が最終用途での負荷に耐えられることを確認します (画像提供: Forward AM)
仮想アセンブリにより、部品が最終用途に必要な寸法を満たしていることも保証されます。さらに、エンジニアは周波数解析を実施し、4 つのエンジンブラケットを組み合わせた場合、構造全体の非常に高い作業負荷に耐えられるか、または固有周波数に到達できるかを評価しました。結果は、新しい構造の固有モードが元のコンポーネントとほとんど区別がつかない動作をすることを示しています。 Forward AM Virtual Engineer は、印刷された部品が定格作業負荷に耐えられるだけでなく、定格作業負荷の最大 3 倍のストレスにも安全に耐えられることを保証するという重要な安全上の利点をさらに追加します。

△エンジンブラケットの仮想組み立て（画像提供：Forward AM）
部品の印刷が完了すると、部品の完全な 3D スキャンが実行され、部品の寸法が以前に生成されたシミュレーションデータと比較されます。寸法の一貫性を分析し、コンポーネントの表面を比較し、正確な寸法をチェックすることで、Liebherr Components が製造するコンポーネントの高精度と高性能が確認されます。

△印刷された部品の精度を保証するための精密スキャン（画像提供：Forward AM）

上記のプロセスを経て、Liebherr 社のコンポーネント部門は最終的に 3D プリントを使用してブラケットを製造し、目的の用途に適用することに同意しました。 Liebherr Components は、ブラケットに対して徹底的なテストを実施し、分析したコンポーネントのパフォーマンスが実際の製造後に厳しい品質および機能基準を事実上満たしていることを確認しました。実際の組み立てプロセスをより効率的にするために、Liebherr Components は新しいブラケットに 2 つの追加ボルトスレッドを要求しました。「付加製造思考」と付加製造生産方法により、追加の生産工程を追加することなくこの要件を達成できます。

付加製造技術の使用は、Liebherr のコンポーネント部門に多くの利点をもたらします。ブラケットの生産コスト、時間コスト、重量が大幅に削減され、ブラケットの耐荷重能力の一貫性が保証されます。
リープヘル社のコンポーネント部門では、積層造形技術とその利点についてより深く理解し、現在では社内で 3D プリンターを使用して印刷を行っており、世界中の同社のすべての生産部門で積層造形を推進する予定です。

「Forward AM の Ultrafuse® 316L 金属フィラメントを使用してプロトタイプ部品を印刷することで、主力製品 (エンジン) を 3D プリントするという目標を達成しました。」

——リープヘル・コンポーネンツ社、先端技術スペシャリスト、ヒューグ・ウィンケルミュラー氏

BASF FDM金属3Dプリントディーゼルエンジン部品は、リープヘル社の量産化に貢献すると期待されている。

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