精密印刷部品のモジュラー汎用性

APS Tech Solutionsは、オーストリアのヘーヒストにあるAutomatisierte Produktions SystemeGmbHの一部門です。 1987年に設立された同社は、自動車、航空、機械市場で使用される3Dウォータージェット切断および工具機械向けのエンジニアリング、機械、およびロボットソリューションを提供しています。

「3年前、私たちは非常に用途の広い3Dプリンターが欲しかったのですが、要件を満たすものが見つかりませんでした」と、APS TechSolutionsの事業開発であるNicolaiWampl氏は述べています。 「そこで、昨年立ち上げた独自のシステム、Wizard480 +を作成しました。連続繊維、標準の熱可塑性フィラメント、金属またはセラミックで印刷できます。」

Wizard 480+は、長さ400ミリメートルx幅230ミリメートルx高さ370ミリメートルの印刷ボリュームと、200°Cまで加熱できる印刷ベッドを備えています。連続繊維フィラメント印刷用のノズルは、500°Cまで加熱できます。

工業用複合材料用に別のデスクトッププリンターが本当に必要ですか？ 「私たちの目標は、産業用のデスクトッププリンターではなく、実際の産業用機械でした」とWampl氏は言います。 「私たちは、制限のない、しかし圧倒的ではないセットアップを備えた多用途のプリンターを望んでいました。たとえば、低コストのデスクトッププリンタをより用途の広いものに変更できますが、多くのノウハウと時間が必要になります。一方、一握りの素材で大量の部品を印刷できる工業用プリンターですが、何か新しいものを印刷したい場合は難しくなります。市場に出回っているすべての素材を使用して、高品質でパーツを印刷したかったのです。」たとえば、以下で説明するスタンピングツールのスペアパーツには、0.02ミリメートルの精度が必要でした。

「私たちが使用する3Dウォータージェット切断およびツーリングマシンは、正しく動作するように正確に構築する必要があります」とWampl氏は説明します。 「この知識をWizard480 +に取り入れて、印刷部品の精度を高めました。もう1つの違いは、CNCマシンのような工具交換システムがあり、1回の印刷で複数の種類の材料を使用できることです。たとえば、顧客が1回の印刷で2種類の連続繊維を使用したい場合、印刷ヘッドは交換可能であるため、それが可能です。プリントには、PEEK [ポリエーテルエーテルケトン]やPEKK [ポリエーテルケトンケトン]などの高性能プラスチック、ポリアミド[PA]、市販のFDM [溶融堆積モデリング]フィラメントを使用できます。すべての部品に連続繊維が必要なわけではありません。たとえば、スチールやチタンを使用した単純なセラミックおよびメタルグリーン部品用のプリントヘッドもあります。」セラミックと金属の部品は2番目のステップで焼結する必要があり、この高温の後処理のためにプラスチックは含まれないことに注意してください。

オープンシステム

「ほとんどの企業は、金属用と非金属用に2つの別々のマシンを持っています」とWampl氏は述べています。 「しかし、新しい開発の場合、新しい素材を試すたびに新しいプリンターを購入する必要はありません。閉鎖的で制限されたシステムではなく、印刷部品を強化または変更できるモジュール式の柔軟なシステムが必要でした。」たとえば、顧客は連続繊維と熱可塑性ポリウレタン（TPU）で印刷したい場合があります。 「これは、粘度が急激に低下するため、印刷中に一貫性を維持するのが難しいため、難しい材料です。しかし、これに対応できるプリンターが必要でした。」

Wizard 480+は、グラスファイバーや銅線などの連続フィラメントで印刷するように設計されています。 「当社の標準的な連続繊維フィラメントは1K炭素繊維/ PAですが、PEEKとPLA [ポリ乳酸]も使用しており、最大3K炭素繊維まで使用できます」とWampl氏は言います。 APS Tech Solutionsは、市場に連続フィラメントを供給したいと考えていますが、そのプリンターはこれらに限定されていません。

Wizard480 +もそのソフトウェアで開いています。 「私たちは常に特別なエンジニアリングを必要としていました」とWampl氏は言います。「それが、私たちが最大限の制御をしたかった理由です。多くのプリンタでは、ソフトウェアによって少し制限されています。しかし、当社のソフトウェアを使用すると、ファイバーを希望の場所に正確に配置でき、アルゴリズムによる制限を受けません。アルゴリズムを使用してファイバーの配置場所を生成することもできますが、パーツの使用方法と最終的にどのような力が発生するかをエンジニアが知っているため、ファイバーの配置方法をエンジニアに制御してもらいたいと考えました。」

そうは言っても、このシステムは比較的使いやすいとWampl氏は言います。 「たとえば、2つの異なる材料で印刷するには、CADで2つの異なるパーツを作成します。次に、多くの産業用3Dプリンターで使用されているスライサーソフトウェアであるSimplify3D [Cincinnati、Ohio、U.S。]を使用して、どの部分をどの素材で印刷するかを選択します。次に、印刷するGコードを作成するポストプロセッサがあります。 Simplify3Dを使用すると、インフィルレイヤーの高さや密度などのすべての印刷パラメーターを設定できます。後処理では、ファイルをドラッグアンドドロップするだけで、ツールチェンジャーや連続ファイバーフィラメントの使用など、あまり一般的ではない機能があるため、マシンに合わせて調整されます。」

「実際には1つの制限しかありません」とWampl氏は言います。「これは印刷されたフィラメントの長さです。最小の長さは20ミリメートルです。エンジニアが特定の印刷長を20ミリメートルより短くすると、問題が発生し、後処理でそれは不可能であると通知されます。」

期待される品質、提供される

Wizard 480+の最初の顧客は、高性能スタンピングツールメーカーのStepper Fritz GmbH＆Co。KGでした。 （プフォルツハイム、ドイツ）。 「彼らはツールの1つにスペアパーツが必要で、それを印刷できるかどうか尋ねました」とWampl氏は言います。 「彼らは、連続炭素繊維、熱可塑性マトリックス、水溶性サポートなど、必要な材料の複雑な形状と組み合わせのために、その仕事に適した3Dプリンターを見つけるのに苦労していました。」この部品の以前のバージョンは、CNCフライス盤アルミニウムを使用して作られていました。 「形状を変更せずにパーツを印刷し、インサート用のスレッドも統合しました」とWampl氏は述べています。 「外殻には既製のチョップドカーボンファイバー充填PAフィラメントを使用し、内側には連続カーボンファイバー/ PAフィラメントを使用しました。」

ステッパーは部品を評価し、必要な精度を満たしていると判断してから、最初の機械を注文しました、とWampl氏は言います。 「彼らは2020年7月から問題なく稼働しており、この精度で部品を製造していると言っています。」

上部の冒頭の画像の顕微鏡写真に示されているように、高品質は、印刷されたままの繊維強化複合材料の特徴でもあります。 APS Tech Solutionsの1K連続炭素繊維強化PEEKフィラメントの5層が特徴で、印刷直後にパーツをカットして顕微鏡写真を撮りました。それ以上の統合や後処理は必要ありません。この資料は、FHフォアアールベルク（ドイツのフォアアールベルクにある応用科学大学）でもテストされ、バイロイト大学（ドイツのバイロイト）で顕微鏡写真が撮られました。結果は、1,060メガパスカルの引張強度と750メガパスカルの曲げ強度を示しています。 「しかし、これは非常に予備的なテストであり、現在、より標準化されたテストを準備しています。その間、技術者は、さらに高い特性を達成できると信じています」とWampl氏は言います。

「今のところ、私たちの売り上げは主に、市場に出回っているものに満足していないステッパーのような大学や企業に向けられています」とWampl氏は言います。 「優れたテクノロジーを備えた連続ファイバー3Dプリンターがありますが、ほとんどは材料やソフトウェアに制限があります。私たちの目標は、機械や専門のエンジニアリング会社など、最高品質の部品と柔軟性を必要とする顧客、および材料科学と開発に携わる顧客にサービスを提供することです。」

同社は、システムを6軸ロボットアームに適合させたり、宇宙用途の材料を採用したりするなど、独自の新しい開発に取り組んでいます。 「3Dプリントされた複合材料は、これまでに見られたよりもはるかに幅広い用途があると信じていますが、私たちはそれらの視野を広げ、産業部品の新しい可能性を可能にしています。」