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3Dメタルプリンティングが従来の金属加工技術に与える影響

11月 15, 2024

この記事では、3D金属プリンティングが、鋳造、機械加工、成形などの方法にどのような影響を与えながら、金属の新しい技術を生み出すかについて論じています。またカスタマイズ3Dプリントが行われ、サプライチェーンやコストへの影響、用途、従来の方法に対する利点、欠点についての一般的な評価を提供します。

3Dメタルプリンティングが従来の金属加工技術に与える影響

金属印刷技術

3Dメタルプリンティング技術を、私たちは単に金属の積層造形と呼んでいます。これは、積層造形技術によって金属オブジェクトを作成するプロセスを指します。金属プリンティング技術について知っておくべきいくつかの重要なこと：

プロセス:一般的な金属3Dプリントプロセスには、選択的レーザー溶解（SLM）、直接金属レーザー焼結（DMLS）、電子ビーム溶解（EBM）があります。これらは、金属粉末の複数の薄い層が溶けて融合し、最終的な固形物体が形成されます。

材料使用される素材は、ステンレス、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、銅、コバルトクロム合金などです。その種類は、アクテビティが向上するにつれて増えています。

仕組み この技術では、レーザーまたは電子ビームを使用し、金属粉末またはワイヤの層にエネルギーを与え、計画されたデザインを形成するために結合させます。後続の各層は前の層と強固に接着し、層ごとに最終的な部品を形成します。

主要な金属3Dプリントプロセス

現在使用されている3D金属プリンティングの最も有名な方法は、SLM（選択的レーザー溶融）、DMLS（直接金属レーザー焼結）、EBM（電子ビーム溶融）です。SLMとDMLSでは、レーザービームで金属粉末を溶かし、EBMでは電子ビームで粉末層を溶かします。マルチジェット溶融は選択的レーザー焼結にも使用されます。マルチジェット融解は、より高速に印刷でき、印刷の過程で異なる材料を組み合わせることができるため、改良が進んでいます。

金属3Dプリンティング材料

3Dメタルプリントで使用される素材は、ステンレス、アルミニウム、ニッケル合金、チタン、銅です。より多くの産業界のニーズや要望をカバーするために技術が発展するにつれて、材料の選択肢は広がっています。

製造技術

伝統的な金属加工方法

積層造形が台頭する以前は、未加工の金属素材を成形する一般的な技術として、旋盤加工、フライス加工、研削加工などの機械加工、スタンピング、曲げ加工、スピニング加工などの成形技術、溶融金属を鋳型で鋳造する方法がありました。これらの減法的および造形的手法は、バルク材料を除去または成形して部品を大量に製造しますが、製造できる形状や設計には限界があります。

CNC加工

CNC（コンピュータ数値制御）マシニングは、多軸マシンに取り付けられた切削工具を使用し、プログラムされたGコード命令に基づいて金属ワークピースから余分な材料を除去します。高精度を実現しながら CNC加工切り屑が発生するため、複雑な内部形状や軽量設計の可能性よりも、基本的なプロファイル製造に最適です。

金属鋳造

砂型鋳造、金型鋳造、インベストメント鋳造などの鋳造技術では、液化した金属合金を型に流し込んで凝固させ、ほぼネットシェイプの部品を作ります。鋳造では、少量から中量の生産に適した複雑な断面が得られますが、金型の製造コストがかかります。

板金成形

パンチング、スタンピング、曲げ、スピニングなどの工程は、工具間にかかる圧縮力によって金属板やプレートを部品に成形します。成形による大量生産は、同一の部品を効率的に製造しますが、3D金属プリンティング機能に比べると設計上の制約があります。

製造業への影響

サプライチェーンの短縮

3Dプリンティングガイドは、複数の加工工程を単一工程に統合することで、サプライチェーンを簡素化します。熱間/冷間加工、切断、接合、組み立てなどの中間工程はもはや必要ありません。部品は、3D金属印刷と粉末供給があればどこでもオンデマンドで製造でき、長い製造リードタイムと安全在庫の必要性を削減します。

廃棄物と材料使用量の削減

3D金属プリンティングは、層ごとに必要な場所に正確な材料のみを堆積させることで、余分なバルクストックを除去する減法的技術と比較して廃棄物を最小限に抑えます。ほぼ完全な密度のパーツに必要な材料は、従来の同等品よりも5～10%少なく、最大97%の金属粉末を再利用できます。これにより、エネルギーとコストを削減し、環境への影響を低減します。

カスタム生産と小ロット生産のコスト削減

金属3Dプリンターは設備投資要件が低いため、従来の大量生産工場の高い固定費を回避できます。このため、非標準部品や特注部品の部品単価が大幅に上昇しないため、積層造形は少量生産にとって魅力的です。生産量は1個から可能です。

設計自由度の向上と複雑な形状

積層造形技術は、サブトラクティブ加工や造形プロセスの3Dメタルプリント機能と比較して、部品設計に幾何学的制約を課しません。複雑な内部格子構造、コンフォーマル冷却チャンネル、患者固有のインプラントが、工具の制限なしに可能です。軽量化は、強度のために最適化することができます。

金属印刷アプリケーション

航空宇宙産業

3D金属プリンティングにより、航空機や宇宙船のメーカーは、タービンブレードや熱交換器のような、ますます複雑で少量の部品を製造できるようになりました。最適化された設計により軽量化された部品は、大幅な性能と燃料の節約を実現します。厳格な機械的仕様を満たすために、チタンとニッケル合金が一般的に使用されています。

自動車産業

モータースポーツや高級車は、スピードとカスタマイズの利点から、エンジン部品などの用途に3Dメタルプリント部品をいち早く採用しています。量産自動車メーカーも、軽量格子構造を利用したヒートシールドなどの機会を調査しています。アルミニウム合金は人気のある材料です。

医療業界

チタンやコバルトクロム合金製の生体適合性インプラント、補綴物、手術器具の規制された生産は十分に確立されています。カスタマイズされた器具は、既製の代替品と比較して、患者の転帰と費用対効果を改善します。

その他の産業

ステンレス鋼などの金属を使用した積層造形は、産業機械、石油/ガス、防衛、発電などの分野に拡大しています。特殊用途では設計の自由度を活用し、一般製造業では従来の製造と比較してコスト効率を追求します。

プロセス比較

金属3Dプリンティングの利点

アディティブ・マニュファクチャリングは、サブトラクティブ技法と比較して、より複雑な形状、設計の最適化、パーソナライズされた製造を可能にします。サプライチェーンの簡素化と廃棄物の削減によりコストを低減し、生産スケーラビリティにより少量から中量の生産にメリットをもたらします。複雑な内部格子構造が可能

金属3Dプリンティングの限界

機械的特性は加工方向によって変化します。後加工が必要な場合があります。大量生産よりも材料費が高く、造形時間が長いため、用途が限定されます。部品サイズが大きく、プリンター寸法を超える場合があります。標準的な錬合金に比べ、利用可能な金属等級が少ない。

従来型製造と積層造形の使い分け

従来の製造は、規模の経済により、大量生産される標準化された部品に有利です。複雑鋳造は、大型で少量の特殊部品に有効です。最適なプロセスの選択は、部品の設計/材料、生産規模/頻度、標準/カスタム形状が製造アプローチに影響するかどうかによって決まります。多くの場合、両工法は業界内で統合されます。

技術統合

伝統的手法と付加的手法の融合

レガシーな技術を置き換えるのではなくプロトタイピングにおける3Dプリンティング製造エコシステムに統合ニアネットシェイプ鋳造は、CNC機械加工用のストックを提供します。印刷金型は従来通りの鋳物を製造します。サブトラクティブ法は、厳しい公差を必要とするプリント部品の半製品を完成させます。ハイブリッド・プロセスは、それぞれの方法の利点を活用して、多材料、多属性の結果を実現します。

専門メーカーへのアウトソーシング

大手OEMは社内に3Dメタルプリント機能を組み込んでいますが、多くのサプライヤーはメタルアディティブジョブのアウトソーシングから利益を得ています。請負製造業者は、大規模な3D造形を行うことなく、高度な造形を経済的に利用できます。設備投資.パートナーは、アプリケーション開発サポート、生産最適化、後処理、試験、認証サービスを提供します。お客様はコアコンピタンスに集中し、スペシャリストは新製品導入のための技術および規制コンプライアンスを確保します。

結論

3D金属プリンティングの主流製造業への統合は、両方の技術が急速に進化し続けるにつれて勢いを増しています。従来の製造が大量生産にとって重要であることに変わりはありませんが、設計の複雑さ、サプライチェーンの有効性、カスタマイズされた少量生産部品に対して付加製造が提供する利点により、業界全体で確立された役割を見出すことができます。

材料と速度の向上により、この技術のコストが下がるにつれて、3D金属プリンティングは、プロトタイプだけでなく、最終用途の生産部品においても、従来の機械加工とますます競合するようになるでしょう。また、ハイブリッド自動化ソリューションを通じて、両製造アプローチの補完的な利点がより複合的に利用されるようになるでしょう。最終的には、設計と製造のワークフローを変革する積層造形の革命的な能力が、将来の業界標準と国際競争力への影響力を高めることになるでしょう。