ハイブリッド金属製造の力：3Dプリンティングと伝統的手法の活用

ハイブリッド金属製造は、アディティブプロセスとサブトラクティブプロセスを統合し、金属部品の設計と製造を最適化します。この記事では、3Dプリンティング、機械加工、成形などを組み合わせることで、複雑でカスタマイズされた金属部品の特性を向上させることを求める業界全体で、どのように斬新な設計が可能になるかを詳しく説明します。

ハイブリッド金属製造：伝統と技術の融合

製造業への新しいアプローチ

従来のハイブリッド・メタル製造は、金属が金属である可能性によって変貌を遂げつつあります。 3Dプリンティング と積層造形は、製造業で使われていない新しい形状の開発を可能にします。しかし、これらの新しい技術は、造形物のサイズや複雑さ、可能な解像度、材料の特性にも制約があります。

両方の長所を融合

提案するアプローチは、従来の金属加工技術と相乗的に積層造形を利用することです。複雑な内部構造は 3Dプリント部品 より大きな造形量内で複雑な外面を高精度で加工できます。最適化された特性を持つ異なる合金を接合することができます。

このハイブリッド・アプローチにより、新しい機能性が開かれ、部品の性能が向上します。一体型設計により、複雑な組立工程を削減または排除することができます。軽量かつ高強度の部品は、材料費を節約し、持続可能性を向上させます。

ハイブリッド金属製造の未来は、特定の部品要件に基づいてこれらの技術を効果的にブレンドすることにあります。研究者も産業界も、金属製造を次のレベルに引き上げるために、新しいハイブリッドワークフローを積極的に模索しています。

背景と定義

本稿では、3Dプリンティングとして知られる積層造形（Additive Manufacturing：AM）を、材料の層を積み重ねるプロセスを通じて3次元部品を作成する技術として定義します。金属AMの場合、これは金属粉末を層ごとのプロセスで結合させながら、高出力レーザーまたは電子ビームで材料を溶かすことを意味します。従来の金属加工には、切断、曲げ、穴あけなどの機械的作業が含まれます。鋳造、鍛造、曲げなどの製造工程は、成形や機械的圧力による金属の成形を特徴としています。溶接やはんだ付けのような接合技術は、別々の金属部品を融合させます。

ハイブリッド金属製造は、これらの積層造形法と従来の方法を戦略的に組み合わせたものです。AMは、他の方法では実現不可能な複雑な内部形状や軽量の格子構造に使用されます。従来の機械加工は、必要とされる高精度の表面と厳しい公差を提供します。高強度や高耐食性といった自動車用途で使用される合金は、難なく組み合わせることができます。このような手法の統合により、それぞれの手法の長所を活かしつつ、その影響を克服することで、機能的で高性能、かつ費用対効果の高い以下のような製品を製造することができます。 航空宇宙, エレクトロニクス, メディカルその他の業界

ハイブリッド製造の動機

ハイブリッド金属製造技術を採用する主な動機はいくつかあります：

• 従来の方法だけでは不可能だった複雑な形状の部品やコンポーネントの製造が可能になります。
• アディティブ技術により、強度、軽量性、または機能的要件に合わせて内部形状を最適化できます。
• 外面や可動部品の精密さと厳しい公差には、従来の機械加工能力が必要です。
• 高強度や耐食性を持つ合金など、様々な用途に最適化された異なる金属材料を接合することができます。
• 全体として、従来の方法よりも低コストで、機能性を向上させた構造物の設計と製造が可能になります。
• レビューの範囲

この総説では、ハイブリッド金属製造の現在の研究と応用の概要を説明します。革新的な新しいワークフローで組み合わされている、主要な付加技術と従来技術の概要を説明します。また、航空宇宙や生物医学のような産業向けの複雑な金属部品の製造のために、異なる方法論を組み合わせたいくつかの例についても分析します。また、このビジョンの限界と、その実施過程で遭遇する可能性のある問題についても強調します。

このレビューの目的は、次世代のハイブリッド金属製造の現状を紹介するだけでなく、この論文で取り上げるハイブリッド手法によって可能になるかもしれない将来の発展についても議論することです。

ハイブリッド製造の分類

ハイブリッド金属製造には、従来の技術と統合された段階に基づいて、いくつかの主要な分類があります：

• 後加工ハイブリッドは、機械加工のような減法的手法を用いて付加製造部品の表面仕上げを改善します。
• ニアネットシェイプ・ハイブリッドは、細部を3Dプリントする前に、最初に従来の成形を行うことで、アディティブのリードタイムを短縮することを目的としています。
• マルチマテリアルハイブリッドは、特性の異なるAM加工合金を接合したものです。
• 公差ハイブリッドは、フライス加工や旋盤加工の精度を活用して、AMプリフォームを技術図面通りに加工します。
• トポロジー・ハイブリッドは、AMとそのアーキテクチャーの伝統的な接合によって内部構造を最適化します。
• ハイブリッド金属製造技術

開発スケジュール

1980年にルーツを持つ金属AMは、長い道のりを歩んできました。最初の技術は SLS および相互接続ポリマーバインダーを用いた金属の3Dプリンティング。粉末床溶融法と指向性エネルギー堆積法の近代化は2000年代に実用化されました。近年では、高性能合金だけでなく、マルチマテリアルや マルチマテリアル3Dプリンティング.

AMプロセスの分類

金属AM技術には、粉末床融合プロセスと指向性エネルギー堆積プロセスの2つのサブグループがあります。粉末床溶融プロセスでは、レーザーや電子ビームなどの熱エネルギー手段を通して金属粉末の薄い層を連続的に適用することにより、金属粉末を結合します。新しい粉末層が堆積された後、融合されます。指向性エネルギー蒸着は、集束された熱エネルギー（レーザーまたは電子ビーム）を直接照射し、材料（粉末またはワイヤー）を層状に蒸着させながら融合させます。

粉末床溶融プロセス

選択的レーザー溶融（SLM）と電子ビーム溶融（EBM）は、粉末床溶融プロセスの2つの基本的なアプローチです。SLMでは、レーザーがパウダーベッドを通過するだけで、ある粒子を別の粒子に融合させます。EBMでは、集束した電子ビームを使用して金属粉末をよく溶かし、融合させます。コンポーネントは、層状の方法で3Dモデルデータの可変階層レベルから構築することができます。

直接エネルギー蒸着プロセス

指向性エネルギー堆積（DED）プロセスには、レーザーエンジニアリングネットシェーピング（LENS）と電子ビーム自由形状加工が含まれます。A 溶融堆積モデリング 熱エネルギー源を使用して、材料（金属ワイヤーや粉末など）を溶融させながら蒸着します。このプロセスは、既存の部品に材料を蒸着させることで、修理やハイブリッド金属製造を可能にします。部品は、支持構造を必要とせず、直接構築されます。

複数の熱エネルギー源を用いたハイブリッド積層造形

レーザーや電子ビームのような複数の集束熱エネルギー源を活用するハイブリッドAMアプローチへの関心が高まっています。これにより、異なるエネルギーと材料の相互作用の利点を組み合わせることができます。

レーザーアシストGMA-DED / PA-DED

GMAW-DEDまたはPAW-DEDは、ガスメタルアークを使用します。 プラズマ切断 トーチで溶接材料を溶着します。同軸レーザーは、局所的な加熱を追加して析出速度と制御を向上させます。これにより、反応性合金の析出が改善され、異種材料の析出が可能になります。

レーザーアシストGTA-DED

GTAW-DEDは、材料溶着にガスタングステンアーク溶接トーチを使用します。レーザーが溶接プールに補助加熱を行い、形状制御を改善します。これにより、銅のような導電率の高い難溶接合金のAMが容易になります。

分析と課題

二重のエネルギー入力を利用することで、設計の柔軟性は高まりますが、プロセス制御と最適化の面で複雑さが生じます。エネルギーカップリング、シーケンス、位置決めなどの要素を考慮する必要があります。また、マルチソース加熱による残留応力や歪みの解析も必要です。さらなる研究は、これらの先進的なハイブリッド金属製造アプローチによる材料性能を完全に特徴付けることを目的としています。

材料除去プロセスによるハイブリッド積層造形

ハイブリッド金属製造に材料除去を統合することで、設計スペースが拡大し、部品の品質が向上します。これは通常、成膜後に行われますが、製造の途中で組み込むこともできます。

製造工程での統合

一般的なアプローチでは、AMの前に基板またはベースプレートを粗加工します。これにより、最初の部品形状と、その後の成膜中に確実に固定するためのクランプ面が確立されます。

あるいは、重要なフィーチャーの最初の「プリフォーム」を付加的に構築し、サブトラクティブツールを使用してさらに成形することもできます。例えば、複雑な冷却チャネルは、最終寸法に仕上げ加工する前に、レーザー金属蒸着によって粗加工してもよい。

形状堆積法（SDM）のような一部の技術では、垂直蒸着層の間にフライス加工を使用します。これにより、粗い傾斜面が精製され、次の成膜のための位置精度が維持されます。

また、インプロセス加工機能の開発も目指しています。リトラクタブルツールヘッドは、造形中にサポート構造を除去したり、リアルタイムで蒸着軌道や形状を変更したりすることができます。

課題と解決策

材料除去を統合すると、成膜されたままの材料が損傷したり劣化したりする危険性があります。 レーザー切断技術 潤滑剤と冷却剤は、合金と反応したり、合金を弱めたりしないように注意深く選ぶ必要があります。

後加工のためにパーツを正確に位置決めするためには、固定具のロバスト性が重要です。インプロセスアプローチには、緊密に連携したマルチヘッドシステムが必要です。局所的な加熱冷却による残留応力は、パーツの安定性をさらに複雑にします。

これに対処するため、多くのハイブリッド金属製造プロセスでは、機械的ストレスを回避するために超音波やレーザーアブレーションのような非接触加工法を採用しています。また、リアルタイムのプロセス監視により、様々な製造ステップのフィードバック制御が可能になります。

成形プロセスによる金属ハイブリッド積層造形

熱処理工程

積層造形部品は、内部応力を緩和し、結晶粒構造を微細化するために、溶体化熱処理や焼きなまし熱処理を受けることがよくあります。ハイブリッド金属製造技術の中には、局所的な熱処理をAMプロセスに直接統合するものもあります。

例えば、レーザーアシスト直接金属蒸着は、凝固する際にメルトプール領域の材料を即座に溶体化することができます。これにより降伏強度が向上し、脆化などの問題に対処できます。

HIPと冷間加工

熱間静水圧プレス(HIP)は、堆積したままの多孔質材料を理論密度近くまで緻密化し、特性を向上させます。一部のアプローチでは、ビルドの途中でHIPを使用し、格子構造を維持しながら耐荷重領域などの領域を選択的に高密度化します。

冷間圧延、ショットピーニング、その他の表面処理も、バルク加工による歪みを導入することなく加工硬化の利点を付与するために組み込まれています。

バルク成形プロセスとの統合

鍛造

オープンダイまたはクローズドダイ鍛造は、加法成形されたプリフォームをネット形状またはニアネットコンポーネントに圧密・変形させるために使用されます。AMの初期設計では、欠陥のない効果的な成形のために材料の配置を最適化します。

曲げと回転

シートラミネーションまたはリニアデポジション技術は、フローフォーミングのような後のスピニング加工や曲げ加工によって、円筒形または円錐形のハイブリッドメタル製造部品の成形を可能にします。

シート成形工程との統合

設計された不均一性を持つシート材を付加加工し、従来のスタンピングまたはハイドロフォーミング法を使用して複雑な3D形状に成形することができます。付加的パターニングによって達成される傾斜剛性は、成形延性を向上させます。

成形加工による接合との統合

押し出しベースのAMは、ハイブリッド金属製造サブアセンブリの鍛造のような接合と成形を可能にします。初期プロファイルを付加的に堆積させ、局所的な熱と圧縮を使用して連続的に接合および連結することができます。これにより、複雑な インテグレーテッドメタルフレームワーク.

結論

ハイブリッド金属製造は、積層造形技術と従来の金属加工技術の両方の長所を活用する、急速に発展している分野です。部品製造のさまざまな段階で異なるプロセスを戦略的に統合することにより、製造業者は最適化された性能を持つ幾何学的に複雑な金属部品を作成することができます。ハイブリッドワークフローによって達成可能なカスタマイズされた設計の自由度と材料特性は、金属加工製品の応用可能性を拡大し続けています。

しかし、このアプローチの能力を完全に実現するには、さらなる開発が必要です。マルチヘッドの同期化、複合入力のためのプロセス制御方法、および堅牢な固定ソリューションに関する研究をさらに進めることで、部品の品質と製造の再現性を高めることができます。新しい金属合金の配合と熱処理手順も、統合された加工経路の需要に適合させるために必要かもしれません。重要な産業向けのハイブリッド金属製造部品を認定するために、規格は引き続き開発されなければなりません。

よくあるご質問

Q: 一般的なハイブリッド製造ワークフローにはどのようなものがありますか？

A: 一般的なアプローチとしては、複雑なコアやインサートのハイブリッド金属製造と外面の従来の機械加工との組み合わせ、溶接によって接合された異なる合金の積層造形、3Dプリントされたプリフォームとの一体成形、熱処理、接合などがあります。

Q：ハイブリッド生産の利点は何ですか？

A: 様々なハイブリッド金属加工技術に対応した部品設計の最適化、マルチマテリアル統合による特性の向上、組み立て工程の削減、アディティブ・アプローチのみと比較してより厳しい公差の取得が可能です。

Q：ハイブリッド生産にはどのような課題がありますか？

A: 多様なプロセスを統合することは、損傷や劣化のリスクがあり、多段階の加熱/冷却による残留応力は対処が複雑で、緊密に同期したマルチヘッドシステムはプロセス制御の改良が必要です。

Q: ハイブリッド技術を導入している業界は？

A: 主な分野には、航空宇宙、ヘルスケア、自動車、エネルギーなどがあり、これらの分野では、強度、複雑さ、カスタマイズが要求されるため、革新的な金属加工法が採用されています。