3Dプリンティング

ハイブリッドCNCシステム：付加製造と減算製造の革命

1月 12, 2025

の利点をご覧ください。ハイブリッドCNCシステムアディティブ・マニュファクチャリングとサブトラクティブ・マニュファクチャリングをシームレスに統合。航空宇宙や医療機器などの産業におけるアプリケーション、利点、今後の動向についてご覧ください。大手メーカーがこの革新的な技術をどのように進化させているかをご覧ください。

ハイブリッドCNCシステム：加法的製造と減法的製造の組み合わせ

この記事では、ハイブリッドシステムとその歴史的変遷の紹介から始まり、ハイブリッド製造の包括的な概要を扱います。アディティブ・マニュファクチャリングとサブトラクティブ・マニュファクチャリングを対比し、その定義、プロセス、それぞれの利点と欠点について説明します。ハイブリッドシステムの必要性を探求し、単独技術の限界と両手法を統合する利点を強調します。ハイブリッドシステムの主な利点として、複雑性と設計の自由度の向上、局所的な材料成膜、部品の修復機能、廃棄物の削減、金型や少量生産への応用などが挙げられます。この記事では、CNC 3Dプリントについても掘り下げており、CNCマシンへの積層造形プロセスの統合と最新のハイブリッドワークフローについて詳しく説明しています。さらに、主要なアディティブ・サブトラクティブ・システムの特徴について説明し、コア技術とコンポーネントに重点を置いています。ハイブリッド補修技術を紹介し、航空宇宙および高価値部品への応用を紹介します。また、マルチプロセス加工の概念、特にフライス盤へのFDMの統合とモジュラーハイブリッドプラットフォームの設計についても探求しています。将来に向けては、ソフトウェアとオートメーションのトレンドとともに、ハイブリッド製造における新たなアプリケーションとイノベーションに焦点を当てています。結論では、ハイブリッド製造の影響についてまとめ、今後の展開についての洞察を示しています。最後に、FAQセクションでハイブリッド製造に関する一般的な質問を取り上げ、明確な回答と説明を提供しています。

ハイブリッド・マニュファクチャリングは、アディティブ・マニュファクチャリングのプラン・チャンスと、サブトラクティブ・マシニング・プロセスの精度と高効率を結びつける、最先端の進歩として生まれています。例えば、PC数学的に制御された（CNC）機械装置にレーザークラッディングを直接行うなど、調整されたエネルギー声明手順を調整することで、生産者は2つの進歩を完全に組み込んだ方法で使用することができます。ハイブリッド製造の初期の試みは、既存のCNC機械に添加剤機能を後付けするものでした。しかし、真の相乗効果は、付加製造と減法製造のワークフローをシームレスに統合するためにゼロから設計された専用システムによって達成されます。以下のような大手OEM 三井精機とDMG森は、通常の切削工具と同様にレーザーヘッドと粉末供給ノズルを機械主軸に取り付ける、洗練されたハイブリッドプラットフォームを開発しました。最適化されたハイブリッドプラットフォームでアディティブプロセスとサブトラクティブプロセスを組み合わせると、新たな可能性が生まれます。複雑な内部形状を、後続の機械加工によって厳しい公差を維持しながら構築できます。また、局所的なマルチマテリアル成膜や部品修復アプリケーションも可能になります。この記事では、ハイブリッド製造の技術的側面と産業的実装を探ります。統合されたシステム設計、中核となるアディティブ・サブトラクティブ・プロセスの統合、航空宇宙などの産業における応用、そしてマルチプロセス製造の将来への展望を取り上げます。

ハイブリッド製造は、情報調査によると、発展途上のパターンです。ハイブリッド製造」は2016年に上昇を始め、それ以降一貫して上昇を続けています。これは、三井精機やDMG森などの重要な機械器具メーカーが、2015年から2016年にかけて、最も記憶に残る経済的にアクセス可能なクロスオーバーフレームワークを提供したことと一致しています。アディティブ・サブトラクティブ・マニュファクチャリング」や「アディティブ・サブトラクティブ・マニュファクチャリング」などの関連検索語は、2016年以降、一貫して上昇を続けています。CNC3Dプリンティング「ここ数年の間、検索数は増加の一途をたどっています。さらに、地方の関心も、ハーフブリード製造が世界的な関心を集めていることを示しています。米国、ドイツ、日本は、航空/自動車OEMとそのストックチェーンがこれらの国々で受け入れられている可能性があるため、今日までの検索ボリュームを大きく牽引してきました。インドも同様に、クロスオーバー技術革新の要求が急速に拡大する市場として浮上しています。大国内の州／地域レベルでは、検索デザインは主要な近代的製造センターと並んでいます。米国では、カリフォルニア州、ワシントン州、ミシガン州がトップ。ドイツでは、バーデン＝ヴュルテンベルク州、ニーダーザクセン州、ノルトライン＝ヴェストファーレン州が注目の的。これは、航空、設計、製造業が新しいハーフブリードオープンドアを受け入れていることを物語っています。全体的な分析では、近年、ハイブリッド製造技術への関心と導入が世界的に高まっていることが確認されています。実現可能なシステムへのアクセスが広がったことで、各分野でより多くのアプリケーションが登場し、さらなる拡大が見込まれています。

ハイブリッド製造

加法的製造と減法的製造

アディティブ・マニュファクチャリングは、例えばレーザー焼結のように、プラスチックや金属粉末のような材料を溶融させることによって、層ごとに部品を製造します。興味深いことに、減法的製造はPC数理制御（CNC）機械加工のような方法を利用し、強度のあるブロックやプリフォームから材料を除去または粉砕して成形部品を作ります。どちらのアプローチにも長所と短所があります。アディティブ・マニュファクチャリングでは、材料を徐々に追加していくため、複雑な内部形状や設計の自由度が得られます。しかし、表面仕上げは粗くなりがちで、レイヤーラインが目立ちます。また、サブトラクティブ工法よりも時間がかかります。サブトラクティブ工法は、プリフォームを機械加工することで、優れた寸法精度と表面仕上げを実現します。しかし、幾何学的な複雑性が高く、無駄になる材料が多いという欠点があります。

ハイブリッド・システムの必要性

単体のアディティブとサブトラクティブの限界を克服するために、ハイブリッドシステムは2つのアプローチを一緒にします。これにより、1つの製造プロセスと機械で両方の利点を活用することができます。ハイブリッドシステムは、材料の追加と除去の異なるオプションを統合し、新たな機能性を実現します。両プロセスを組み合わせることで、ハイブリッド製造は、アディティブ製造による表面仕上げ不良などの問題に対処します。また、複雑な内部構造を持つサブトラクティブ製造の問題も解決します。ハイブリッド・プラットフォームでは、速度、精度、または材料特性の利点のために、必要に応じてフィーチャーを追加と加工を交互に行うことができます。

ハイブリッドシステムの利点

複雑性の増大

アディティブ技術を使用してプリフォームの内側に層を配置できるため、内部チャネル、格子状またはセル状の構造が可能になります。

局所的な材料堆積

異なる材料をカスタマイズされたパターンで蒸着することができるため、複数の材料や機能的に等級分けされた部品を作ることができます。

部品修理

損傷したコンポーネントは、機械加工後に添加剤蒸着によって摩耗した部分を再構築することで修復できます。

廃棄物削減

粉末添加剤は必要な量の材料のみを使用するため、ソリッドブランクを加工する場合と比較して、廃棄される原材料が少なくなります。

工具アプリケーション

金型、金型、治具は安価な金属粉末を活用でき、組み込まれたカッターは必要な表面仕上げを提供します。

少量生産

ハイブリッドシステムは、従来の機械加工では長いリードタイムを要する複雑なカスタマイズ部品や少量生産部品の効率を高めます。

医療用インプラント

アディティブ/サブトラクティブ生体適合材料の統合は、複雑で個別化された医療用インプラントや補綴物を生み出します。

CNC3Dプリンティング

アディティブをCNCマシンに統合

ハイブリッド・システムの初期の試みは、既存のCNCフライス盤や旋盤に積層造形機能を後付けするものでした。これは、レーザーやパウダーフィードのような成膜装置を機械のスピンドルに直接取り付けることによって行われました。しかし、このような初期の改造には、アディティブ・ハードウェアの統合が最適化されていないという課題がありました。また、協調制御の下で印刷と機械加工をシームレスに交互に行うことができる真のプロセス統合にも欠けていました。最新のハイブリッドシステムには、よりエレガントなソリューションがあります。三井精機のようなメーカーは、アディティブとサブトラクティブのワークフローを完全に統合するために、マシンを一から設計しています。レーザーとノズルは、通常のフライス工具と同じように取り付け、交換できるように設計されています。粉末とエネルギーの供給は、合理化された材料堆積のためにヘッドに自動的に高速結合できます。

ハイブリッド・プロセス・ワークフロー

デジタルツインまたはバーチャルシミュレーションモデルが、これらの統合された機械でのハイブリッド製造プロセスの基礎を形成します。パーツはまずレーザースキャナーでスキャンされ、スキャンデータはCADモデルバージョンとデジタルで比較されます。その後、プロセスプランニングソフトウェアが、成膜用のアディティブツールパスと、その後の加工工程用のサブトラクティブツールパスを自動的に生成します。これらのツールパスは、自動化装置を監督する中央コントローラに供給されます。部品は、完全に完成するまで、材料の蒸着、フィーチャの機械加工、さらなるアディティブ材料の蒸着、さらなる機械加工の繰り返しなど、シーケンスされた製造を受けます。センサーによるプロセス監視により、寸法精度と熱制御が全体を通して保証されます。

CNC 3Dプリンティングの用途

ハイブリッド・システムがこれまでに実証した主な用途には、ガスタービンブレードのような摩耗した航空宇宙部品の修理があります。局所的な蒸着によって損傷部分を再構築し、その後すぐに機械加工を行うことができるため、この用途に適しています。その他の用途としては、多孔質格子構造を持つ包まれた形状など、機械加工だけでは不可能な複雑な形状を持つ部品の作成があります。マルチマテリアル部品は、ハイブリッドアディティブ-サブトラクティブ材料統合能力も活用します。全体として、レーザーベースの積層造形と高精度CNC機械加工を直接統合することで、ハイブリッドマシンはスタンドアロンシステムと比較して新たな設計の自由度と生産性の向上を実現します。ハイブリッドマシンは、アディティブとサブトラクティブの両方の製造技術の長所を兼ね備えています。

加算-減算システム

工作機械への蒸着統合

大手工作機械メーカーは、アディティブ製造機能をサブトラクティブ製造装置に直接統合する、洗練されたハイブリッドシステムを開発しました。単純なボルトオンの追加としてレーザーを後付けするのではなく、これらのハイブリッドマシンは、アディティブ-サブトラクティブプロセスのシームレスな統合を目的として構築されています。三井精機のハイブリッドシステムは、ゼロから設計されています。レーザーとパウダーノズルは、通常の切削工具と同様に、機械のスピンドルに正確に取り付けられるように設計されています。ノズルは、クイックコネクトインターフェースを介して、レーザーエネルギーおよび粉末供給部品に自動的にリンクします。このレベルでの統合を設計することで、アディティブ-サブトラクティブ工程は、統一された制御フローの下で真に交互に行うことができます。DMG Mori、Mazak、Trumpfなどの他の著名なメーカーも、専用のハイブリッドプラットフォームを提供しています。選択的レーザー溶融を統合したものもあれば、溶融フィラメント製造やレーザークラッディングのような指向性エネルギー堆積技術に特化したものもあります。回転対称部品用の複合加工機もあります。

主要システム・コンポーネント

緊密に統合されたレーザーとパウダー装置に加えて、ハイブリッドシステムは他のいくつかのコア技術を組み合わせています：多軸スピンドルとモーションコントロールによる5面パーツアクセス反応性材料の不活性雰囲気を維持するエンクロージャー。部品をデジタル化し、表面形状をエンコードするスキャナー。精度と公差を検証するタッチプローブアディティブ-サブトラクティブツールパスをシームレスにプログラミングするモジュラーソフトウェア。センサーと統合された欠陥検出機能によるプロセスモニタリングこれらを組み合わせることで、航空宇宙、エネルギー、その他のミッションクリティカルな用途に適した複雑な金属部品を製造するハイブリッドマシンが可能になります。

ハイブリッド修理技術

ハイブリッド機能の特殊な用途として、高価値部品の修理と再構築があります。複雑なタービンブレード、インペラー、その他の損傷した航空宇宙部品は、局所的なアディティブデポジションと、充填された領域のサブトラクティブポストプロセッシングによって修復できるようになりました。ハイブリッドシステムは、摩耗した部品のスキャンをCADモデルと比較することで、欠落したボリュームをレイヤーごとに再構築するツールパスを自動的に生成します。その後の機械加工により、最終的な補修寸法と表面仕上げが得られ、別個のセットアップが不要になります。ハイブリッド修理テクノロジーと呼ばれるこのアプリケーションは、専用プラットフォーム内でスキャニング、積層造形、CNC機械加工を組み合わせて活用します。これは、交換コストに直面する超精密部品を救済するためのハイブリッド製造の産業への即応性を表しています。

ハイブリッド能力の例

三井精機、DMG森などの専用プラットフォームは、一体型冷却流路を備えたタービンケーシング製造などの機能を実証しています。機械加工では困難な内部ダクトのある鋳造構造。レーザー蒸着の後にフライス加工を行うことで、オーバーハングしたフランジ部品も1回の加工で製造できます。ワイヤー蒸着によるコーティングは、部品の弾力性を高めます。回転部品は、革新的なターン・ミル・ハイブリッド設計により、ワンクランプで製作されます。これらを総合すると、アディティブとサブトラクティブのハイブリッド材料統合の利点がわかります。

マルチプロセス加工

フライス盤へのFDMの統合

ほとんどのハイブリッドシステムは金属材料に焦点を当てていますが、一部のメーカーは、ポリマーベースの溶融積層造形（FDM）3DプリントをCNCフライス盤に統合したハイブリッドプラットフォームを開発しました。FDMヘッドは、切削工具と一緒にフライス盤のスピンドルに取り付けます。これにより、最初に熱可塑性パーツをプリントし、必要に応じてサブトラクティブ加工に直接移行することができます。仕上げの収縮補正と応力は、後工程としてではなく、インラインで可能になります。従来はサポート構造が必要だったオーバーハング形状も、サポートなしで付加製造できます。チタンのような金属も、アディティブ・サブトラクティブ・コーディネーションを使用して3Dプリントポリマーに埋め込み、最終的なアプリケーションを強化することができます。

モジュラー・ハイブリッド・プラットフォームの設計

大手機械メーカーは、次世代ハイブリッド・プラットフォームを完全なモジュール式多用途システムとして設計しています。処理ヘッドは、さまざまなニーズに合わせて迅速に交換できます。レーザー粉末床溶融、吹き付け粉末レーザークラッディング、ワイヤーアーク積層造形などの代替成膜技術を利用できます。可変のスポットサイズ、レーザー出力、および粉末供給は、作業に合わせて成膜を最適化します。発散レーザービームや強く集光されたレーザービームは、基本的な材料成膜以外のタスクを実行します。検査ハードウェアとタッチプローブが、結果をオンマシンで検証します。制御装置は、多段階のアディティブ、スキャニング、サブトラクティブシーケンスをシームレスにスケジュールします。モジュラリティは、新たな技術を取り入れるための将来的なシステム強化につながります。オープンなエコシステムがサードパーティのイノベーターを引き付け、ハイブリッド製造の範囲を拡大します。コアの剛性により、モジュールの柔軟性の中で精度を確保します。

将来のハイブリッド開発

ハイブリッド化が進めば、画期的な用途が生まれるでしょう。マルチメタル合金の微細構造は、元素ごとに変化する可能性があります。拡散の変化や傾斜した材料組成の出現。小型のコンフォーマル冷却ラインや独自のエレクトロニクスなど、組み込まれた機能要素がオンマシンで製造されるようになります。直列生産はこれらの偉業を達成します。ソフトウェアが手作業を自動化し、人間の創意工夫を最大限に引き出します。機械学習がプロセスを最適化し、エネルギーを節約します。標準化されたセキュリティ・プロトコルにより、協調的なデジタル・エコシステム内で機密性の高い知的財産が保護されます。加法的、減法的、および関連するデジタル分野の緊密な統合により、マルチプロセス・ハイブリッド生産は、無限の可能性を秘めた製造を通じて、私たちの世界を形作る広大な未来を描きます。

結論

ハイブリッド製造は、加法的技術と減法的技術の融合した未来を象徴しています。レーザークラッディングのような指向性エネルギー堆積技術をCNCマシンに直接統合することで、メーカーはスタンドアロンシステムでは達成できなかった新たな可能性を解き放ちます。複雑な内部形状、局所的なマルチマテリアル統合、部品修理アプリケーションは、産業界の現実となります。三井精機やDMG森などの大手OEMは、先駆的な専用ハイブリッドプラットフォームにより、早くからリーダーシップを確立してきました。モジュラー設計は、自動化されたマルチツールエコシステムとして加工ヘッドをシームレスに統合します。デジタル制御は、複雑に振り付けられた加法-減法の生産バレエを指揮します。飛行推進、成形、医療用インプラントへの応用は、連続生産に向かっています。ハイブリッド製造はまだ新しい分野ですが、近年大きく成熟しました。主要産業の中心地での採用が進み、生産レベルでの妥当性が実証されました。技術的な対話は、一般的な概念から、特定の材料や業界の規範にまたがる統合ワークフローの洗練へとシフトしています。ソフトウェアは、手動プログラミングによって開拓されたタスクを自動化するキャッチアップを果たしています。この分野がさらに進化するにつれ、多くの可能性が未開拓のまま残されています。マルチメタル合金、組み込みエレクトロニクス、自動化された部品修理は、アディティブ、サブトラクティブ、デジタルの各分野をハイブリッド化することで生まれる可能性を予感させます。製造業者、研究者、起業家は、技術的な限界に挑戦し続け、世界の産業と社会を形成する統合生産イノベーションの可能性に驚嘆しています。