分析：冷間加工金型における積層造形の応用

この投稿は warrior bear によって 2021-5-30 23:15 に最後に編集されました。

金属積層造形は、プラスチック射出成形ツールの製造において急速に成熟した技術になりつつありますが、冷間加工ツール業界においても、こうした用途の積層造形の市場はあるのでしょうか?
軽量製品の需要が高まり続けるにつれて、より高度な高強度鋼板が使用されるようになっています。これにより、板金部品の打ち抜き、成形、トリムに使用される工具鋼と部品の品質に対する要求が高まり、製品部品の使用と寿命を危険にさらす可能性のあるバリや応力集中がないようにする必要があります。しかし、この金型アプリケーションにおいて積層造形はどのように役立つのでしょうか?
△高圧ダイカスト用金型などの熱間加工金型向け積層造形（AM）ツール市場が拡大しています。（出典：ウッデホルム）
GE Additive Arcam を使用した電子ビーム溶解 (EBM) プロセスは、冷間工具鋼の積層造形に新たな可能性をもたらします。
冷間工具鋼の最も重要な特性は、優れた耐摩耗性です。耐摩耗性は通常、硬化した微細構造内に多量の炭化物が存在することによって実現されます。炭化物の形成は特定の合金元素によって促進され、炭素含有量によって制御されます。したがって、冷間工具鋼グレードは、炭素含有量が多い高合金鋼グレードです。
この高い合金含有量により、冷間工具鋼を積層造形で加工することが困難になります。主な問題は、溶接などの急速凝固時にこれらの合金が割れやすいことによるもので、冷間工具鋼が溶接不可能な材料であるのはそのためです。このため、粉末床溶融原理（溶融に高エネルギービームを使用）に基づく積層造形技術は実現不可能です。さらに、凝固およびその後の熱処理中の偏析効果により炭化物の不均一な分布が生じ、摩耗特性が低下する可能性があるため、これを防ぐ必要があります。
これらの問題により、特にレーザーベースの AM 技術では、これらの鋼種の加工が困難になります。さらに、通常、かなり高温に予熱する必要がある鋼種は加工が難しく、最も一般的なレーザー粉末ベッド AM 技術アプリケーションでは問題となる可能性があります。しかし、GE Additive Arcam を使用した電子ビーム溶解 (EBM) プロセスは、冷間工具鋼の積層造形に新たな可能性をもたらします。
△ GE Additive Arcam EBM エコシステム、Spectra H EBM システム、粉体処理および粉体リサイクルソリューション。（出典：ウッデホルム）
EBM は、電子ビームが焦点から外れている場合は加熱し、焦点が合っている場合は溶解するという 2 つの機能を実行できる熱 AM プロセスです。これにより、加工中に一定の温度を制御・維持し、ひび割れの発生を防ぐことができます。
さらに、EBM は真空プロセスであるため、材料や粉末を汚染から保護します。正確なプロセス制御により、望ましい合金の化学組成が仕様範囲内に保たれます。溶融プロセス中の高い凝固速度により、炭化物の形成と分布の両方に必要な、細かく均質な微細構造が形成されます。
冷間工具鋼の EBM の可能性を最大限に引き出すために、Uddeholm と GE Additive は EBM 印刷用の Uddeholm Vanadis 4 Extra 粉末材料を開発しました。 UddeholmVanadis 4 Extra Superclean は、もともと PM グレードとして開発され、EBM プロセス用に改良および適合されたクロム - モリブデン - バナジウム合金鋼です。 PM バージョンの優れた材料特性を保持し、優れた耐摩耗性と良好な靭性を備えており、D2 などの従来の冷間加工工具鋼よりも優れています。
EBM 処理とその後の熱処理中に適切な条件を使用することで、炭化バナジウムが細かく分散した硬化微細構造が得られ、優れた耐摩耗性と良好な靭性が得られます。 Uddeholm Vanadis 4 Extra の硬度は 64 HRC、圧縮強度は 2700 MPa、靭性は 20J です。加工された EBM 材料は、パンチングおよびエンボス加工操作でもテストされ、工具の摩耗挙動と製造された部品の品質は、Vanadis 4Extra PM グレードと非常に類似していました。
△ CP1180 HD 1.5 mm シートに Uddeholm Vanadis 4 Extra を 100,000 回注入した後のパンチ摩耗の比較。（出典：ウッデホルム）
技術的な観点から、積層造形で製造された冷間加工工具は、従来製造された工具と同等以上の性能を発揮しますか?メリットは何ですか?冷間加工工具は冷却を必要としないため、より複雑な設計や冷却チャネルを製造するメリットはありません。つまり、利益はどこか別のところからもたらされるのです。
一部のツール設計では、材料の最大 75% が除去される大規模な機械加工が必要になります。これらの部品の場合、AM を使用すると時間、コスト、エネルギーを節約できます。
△V4E の EBM AM プロセスルートは、CAD モデル、粉末、GE Additive EBM システムから始まります。（出典：ウッデホルム）
製鉄所での材料バッチは通常かなり大きく、多くの冷間加工ツールはかなり小さいため、適切なグレードの材料を適切なサイズで適切なタイミングで提供することは困難です。このため、原材料の入手が問題となる場合、付加製造は従来の工具製造を補完する優れた手段となり得ます。
適切な原材料の調達に時間を費やしたり、資本を拘束したり、キャッシュフローを混乱させたりするのではなく、これらのツールは従来のツールと同じ機能で印刷できます。したがって、技術的および財務的観点から、一部の冷間加工アプリケーションでは、積層造形に確実に価値があります。 AM の使用も興味深い選択肢となり、競争力のあるソリューションになる可能性があります。
△ Uddeholm Vanadis 4 Extra SuperCleanはクロムモリブデンバナジウム合金鋼です（出典：Uddeholm）

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