付加製造: シックスシグマ品質管理 (パート 2)

出典: 江蘇レーザー連盟

積層造形におけるシックスシグマ品質管理の応用の起源である https://www.nanjixiong.com/thread-147448-1-1.html に引き続き、この記事では 6S 管理による AM の測定についてさらに探っていきます。

現在、6S コンセプト (6S 設計、リーン製造、ばらつきの削減など) は、多くのビジネスプロセスの機能を向上させるために広く使用されています。 6S プログラムの開発は、次の 3 つの段階を経てきました。
フェーズ 1: プロセスの監視、欠陥の排除、変動性の削減に対処します。
フェーズ 2: 総生産コストを削減し、システムパフォーマンスを向上します。
第 3 段階: 企業組織の価値創造を重視します。

しかし、顧客のデジタル設計から直接、少量多品種生産（一品生産も含む）を可能にすることで、AM は高度なカスタマイズへと進み、「ワン・エコノミー」を実現します。同じ設計から大量の部品が製造される従来の大量生産モデルのように、プロセスの変動性を確立して測定することはもうできなくなりました。そのため、大量生産における 6S の実践を AM に普遍的に適用できるかどうかは、多くの場合制限されます。 AM 6S プログラムの次のフェーズに進むことが急務となっています。図 4 は、一度だけまたは少量バッチで製造されるカスタム設計の少量多品種生産シナリオを示しています。部品の形状には層ごとに大きなばらつきがあることに注意してください。 AM では、大量カスタマイズ、少量生産、部品形状の層ごとのばらつきなど、新たな QA/QC の課題が生じます。特に、AM ではカスタム設計とレイヤーごとの製造が行われるため、部品の形状がレイヤーごとに異なることは珍しくありません。その結果、あるレイヤーから別のレイヤーへ、またはあるビルドから次のビルドへのプロセスの変動性と再現性を特徴付け、測定することが困難になります。

図4. 3Dプリントにおける部品形状の層ごとのバリエーションをカスタム設計するための少量多品種生産ソリューション
AM のレイヤーごとの製造アプローチは、QA/QC に大きな課題をもたらします。多くの付加製造プロセスでは金属粉末原料が使用され、粒子のサイズと形状はバッチごとに異なります。さらに、LPBF および DED の加熱源としてレーザーまたは電子ビームが使用されます。ビームの強度と直径のわずかな変化により、異なるマシン間、およびビルドプレート上の異なる場所にある同じマシン間で再現性の問題が発生する可能性があります。したがって、プロセスの最終結果に影響を与えるすべてのパラメータは、使用する材料に応じて調整する必要があります。さらに、積層造形システムでは、部品を製造する際に異なる層の厚さを使用できます。 100 μm の層厚を使用する高さ 2 cm のオブジェクトには、200 層が必要です。層厚が50μmの場合、層数は400になります。これらの各レイヤーには障害が発生する可能性があります。たとえ 1 つのレイヤーに欠陥がある可能性がわずかであったとしても、ビルド全体に少なくとも 1 つの欠陥がある可能性は高くなります。

この例では、各レイヤーが互いに独立していると想定していることに注意することが重要です。ただし、AM はレイヤー間で高い相関関係にあります。つまり、ある層の欠陥は、後続の層の処理中に修正される可能性がありますが、次の層および後続のすべての層に悪影響を与える可能性があります。これは、従来の製造モデルの多段階組立ラインに似ています。自動車業界では、車体の組み立てには通常、一連の組み立て作業が含まれます。 1 つの組み立てステップで変更を行うと、後続のステップで連鎖的な変更が発生する可能性があります。ただし、マルチレベルアセンブリ操作の物理的性質は、各層に LPBF を備えたマルチレイヤー AM の物理的性質とは異なります。多段階製造システムの 6S プログラムでは、通常、プロセスの現在の状態を分析し、統計的手法とツールを使用してシステムパフォーマンスを段階的に改善します。

AM の 6S パラダイムを確立するには、従来の大量生産から新しい生産プロセスへの移行に特有の大量カスタマイズ、小ロット生産、レイヤー間のバリエーション、多層製造プロセスなど、新たな品質課題に対処するための新たなイノベーションが必要です。「測定」には、AM のさまざまな段階での材料、プロセス、および構築後の検査のための新しいセンサーテクノロジの設計と開発が必要です。「アナリティクス」は、AM 製品のライフサイクル中に生成されるビッグデータを処理し、接続できる必要があります。「改善」には、物理マシンの統計的 DOE、AM プロセスのコンピューター実験、および/またはシミュレーションモデルを通じて、プロセス物理学の理解を深め、基礎となる現象の存在論的知識を深めることが必要です。「制御」では、AM における多層製造プロセスの順次的な意思決定問題を考慮し、さらに AM の多目的最適化問題を解決する必要があります。たとえば、LPBF プロセスで消費される総コスト (エネルギーや時間など) を最小限に抑え、最終部品の品質を最大化します。 6S 品質管理の新しい科学的基礎は、AM の生産規模の実現可能性に影響を与え、ラピッドプロトタイピングの現状を超えた AM 機能の開発を可能にします。

さらに、ペンシルベニア州立大学の CIMP-3D は、図 5 に示すように、市販の 3D System ProX 320 PBFAM システムを監視および制御するためのマルチセンサースイートを開発しました。マルチセンサーキットは、3D Systems ProX 200、EOS M280、GE Concept Laser M2 マシンでも利用できます。このシステムは、以下に示すようにさまざまなセンサーで構成されています。

高解像度/高倍率イメージングシステム（6つの異なる照明方式）
405 nm フィルター付きのオンアクシスカメラと 520 nm フィルター付きの前面カメラを含む 2 台の高速/高倍率カメラ。
高速ビデオ（> 33,000 fps）
光プロセス放出（100 kHz）、分光計およびマルチスペクトルセンサーを含む。
音響センサー（100 kHz）
サーマルイメージングと DMP メルトプールセンサー。

▲図 5. Commercial ProX 320 PBFAM システムの監視に使用されるマルチセンサースイートの図。図 6 に示すように、AM のビルド後の品質検査と機能の完全性評価は、通常、放射線ベースのコンピューター断層撮影 (CT) を使用して実行されます。この研究では、GE vTomex M300 マイクロフォーカス X 線 CT (XCT) スキャナーを使用して AM ビルドの CT スキャンを収集し、Volume Graphic myVGL3.0 ソフトウェアを使用して処理し、AM ビルドの各層の 2D 画像プロファイルを抽出しました。

図6. 建設後検査のための放射線撮影CT
積層造形のテストピースおよび部品の開発プロセスでは、大量のデータが動的に生成、交換、使用されます。現場センシングと非破壊検査 (NDE) の増加に伴ってデータ量が増加するにつれて、AM 活動によって生成されるデータの種類はより豊富になっています。 AM プロセスの認定に必要な情報には、測定データだけでなく、材料/機械の仕様、設計モデル、制御および管理データも含まれます。 AM プロセス全体を特徴付けるには、完全な AM バリューチェーンのコンテキストで、何千もの部品とクーポンの構築履歴を通じて収集されたすべての情報を包括的に分析する必要があります。したがって、データが正しく取得、保存、使用されるようにするには、効果的かつ効率的な AM データ管理システムが必要です。

つづく