アディティブ マニュファクチャリングのための 3D プリント - 知っておくべきこと

アディティブ マニュファクチャリングという用語の意味については、多くの混乱があります。 と 3D プリント

そして、それはほとんど驚くべきことではありません。結局、どちらの用語も非常によく似たプロセスに関連しています。

アディティブ マニュファクチャリングと 3D プリンティングはどちらも、材料の薄い層を徐々に積み上げてオブジェクトを作成するプロセスを表しています。

この記事では、アディティブ マニュファクチャリングと 3D プリンティングが何であるか、相互にどのように関係しているか、そしてそれらが何のために使用されているかを正確に説明します。

3D プリントで使用されるアディティブ マニュファクチャリングとは?

従来の製造では、部品は多くの場合、より大きな材料ブロックから機械加工されます。つまり、パーツを形成するために、開始ブロックから材料が差し引かれます。当然、これは多くの無駄を引き起こします。機械工が金属や木材の固いブロックを完成品に加工しているビデオを見たことがあるなら、材料の無駄の多さに驚かされたでしょう。

対照的に、アディティブ マニュファクチャリングでは、材料の層を積み上げて最終部品を形成することによって部品が作られます。それはどのように機能しますか？それはタイプによって異なります

米国材料試験協会 (ASTM) によると、付加製造には 7 つのカテゴリがあります。

<オール>

VAT 光重合 — オブジェクトは、紫外光を使用して硬化する液体フォトポリマー樹脂の層から構成されます。

パウダー ベッド フュージョン — オブジェクトは材料粉末の層から構成され、熱または強力なレーザーを使用して溶融 (または「溶融」) されます。一般的な技術には、選択的レーザー焼結 (SLS) などがあります。

マテリアル ジェッティング — オブジェクトの各層は、プリント ヘッドを使用して構築されます。プリント ヘッドは、液体材料の液滴を造形面に付着させ、そこで急速に固化します。完成したら、紫外線を使用して各層を硬化させます。

シートラミネート — オブジェクトは、超音波溶接を使用して結合された金属のシートまたはリボンから構成されます。通常、CNC 機械加工などの従来の製造技術を使用して余剰材料を除去する必要があるため、シートのラミネート加工は完全に付加的な技術ではありません。

素材の押し出し — 材料はノズルから引き出され、そこで加熱され、ビルド プラットフォーム上に層状に堆積されます。この場合、各層は溶融状態で堆積されるため、層を硬化するための追加のプロセスは必要ありません。

指向性エネルギー蓄積 — DED には、既存のコンポーネントを修復または材料を追加するために使用される一連の複雑な付加製造技術が含まれます。ほとんどの実施において、溶融材料は、ノズルを通してターゲット表面上に堆積され、そこで固化する。このプロセスは、原則として材料の押し出しに似ていますが、異なる形状のターゲット表面を考慮してノズルを複数の方向に移動できる必要がある点が異なります。

バインダージェッティング — 3D プリントとも呼ばれます .

この記事は積層造形の 3D プリントに特に焦点を当てているため、これについて詳しく見ていきます。

アディティブ マニュファクチャリング (3D プリント) プロセスとは?

3D プリントでは 2 つの素材を使用します:

<オール>

粉末ベースの材料、通常はプラスチック、金属、セラミック、および;

粉末の層の間の接着剤として機能する結合剤。ほとんどのバインダーは液体の形で提供されます。

3D 印刷という用語は、バインダー ジェッティングと 2D 印刷の視覚的な類似性に由来しています。標準的なインクジェット プリンターの内部では、プリント ヘッドが X 軸と Y 軸に沿って水平に移動し、紙にインク滴を付着させます。

同様に、3D プリントを使用してオブジェクトを構築するには、プリント ヘッドがマシンの X 軸と Y 軸に沿って水平に移動し、構築材料と結合材料の層を交互に堆積させます。各レイヤーが完成したら、オブジェクトを保持するビルド プラットフォームを少し下げて、次のレイヤーを印刷できるようにします。

印刷するオブジェクトのサイズによっては、完成までに数百、数千、さらには数万のレイヤーが必要になる場合があります。プロセスがどのようなものかを理解するには、3D プリントされたエッフェル塔モデルのタイムラプス ビデオをご覧ください。

アディティブ マニュファクチャリングと 3D プリント ソフトウェアの重要性

3D プリントを含む付加製造技術はすべて、コンピュータ支援設計 (CAD) などのデジタル設計技術に依存しています。実際、目的全体が 3D プリントの最大の目的は、デジタル デザインを現実世界のオブジェクトに変えることです。

過去には、エンジニアは CAD ソフトウェアを厳密なシミュレーション モデリング技術と組み合わせて使用​​し、現実世界で堅牢で効果的なオブジェクトを設計していました。しかし、問題がありました。 CNC 機械加工や射出成形などの従来の製造技術には一定の制限があり、製造が難しくなります。 そうでなければ不可能な「完璧な」オブジェクト。

ここで、CAD と 3D プリントの調和のとれた関係が生まれます。3D プリントの最も重要な利点の 1 つは、デジタル デザインを現実の世界でなく作成できることです。 伝統的な製造技術の制約。

CAD と 3D プリントにより、設計主導の製造が可能になります 、歴史的に、設計プロセスは、従来の製造技術を使用して可能なことによって推進されなければなりませんでした.これにより、エンジニアはこれまで以上に設計の自由度が高まり、多くの業界で大きなブレークスルーが促進されています。

ほとんどの商用 CAD ソフトウェアには付加製造用のモジュールが導入されていますが、Spatial の 3D SDK を使用すると、付加製造用の独自のカスタム CAD アプリケーションを非常に簡単に構築できます。詳細については、www.spatial.com をご覧ください。

アディティブ マニュファクチャリングと 3D プリントの違いについて学ぶ

<オール>

アディティブ マニュファクチャリングの 7 つの主なタイプ

6 つの 3D プリント医療ブレークスルー

アディティブ マニュファクチャリング プロセスで CAD を最大限に活用する方法

従来の製造技術に対する 3D プリント付加製造の利点

もちろん、3D プリントが従来の製造技術より優れているのは、デザインの自由度だけではありません。その他の主な利点は次のとおりです。

• アディティブ マニュファクチャリングと 3D プリント材料を使用して、複雑でありながら軽量な構造を製造する

3D プリントを使用すると、従来の技術では作成できないオブジェクトを作成できることはすでに述べました。ただし、レイヤーごとに構築されるため、非常に複雑なパーツを 1 つのピースで構築できることも注目に値します。同時に、利用可能な材料の範囲が広いため、複雑な 3D プリント部品でさえ、軽量化と高い引張強度の両方を実現できます。

• 1 回限りのビルドの方が安くなります。

3D プリントの大きな利点の 1 つは、金型や特別な組み立てリグを必要としないことです。その結果、1 回限りのオブジェクトの小さなバッチを簡単に、はるかに低コストで作成できます。

• 無駄を減らします。

すでに述べたように、3D プリントは添加剤です。 多くの伝統的な技術は材料の抽出を伴いますが、製造技術 .この事実だけでも、3D プリントは他の一般的な製造技術よりもはるかに無駄が少ないことを意味します。

• 市場投入までの時間を短縮

簡単に言うと、メーカーが 3D プリントほど迅速にオブジェクトを設計および構築できる技術は他にありません。これは、プロトタイプの構築とテストに関して特に価値があります。 3D プリントが最も一般的な用途の 1 つであるラピッド プロトタイピングの代名詞になったのはこのためです。

ラピッド プロトタイプの構築に使用されるアディティブ マニュファクチャリングの 3D プリント

ラピッド プロトタイピングとは、簡単に言えば、物理的なオブジェクト、パーツ、またはモデルを迅速に作成することです。

ラピッド プロトタイピングでは、CNC 機械加工などの従来の製造技術から 3D 溶接などの最新の技術まで、あらゆる製造技術を利用できます。ただし、明らかな理由から、3D プリントなどの積層技術が最も一般的に使用されています。

名前が示すように、ラピッド プロトタイピングは主に一連のプロトタイプを作成するために使用されます。これらのプロトタイプは、最適な設計が見つかるまですばやくテストして破棄できます。設計と製造に対するこの反復的なアプローチは常に人気があり、積層造形プロセスの進化によってより効果的になっています.

ラピッド プロトタイピングを 3D プリントと組み合わせると、製造業者にとって 3 つの明確なメリットがあります。

• 費用対効果が非常に高い。 プロセスのほとんどは自動化されているため、プロセスを完了するために必要なスタッフはほとんどいません。同様に、材料と製造プロセスは、代替の製造技術の場合よりも安価にセットアップできます。

• スピード。 ラピッド プロトタイピングは、製造業者がこれまで以上に迅速に設計を作成して破棄し、各反復から学習して最終製品に近づけるのに役立ちます。これは市場投入までの時間 (TTM) の短縮につながり、多くの場合、大きな競争上の優位性となります。

• リスクの軽減。 製造におけるミスは、非常に高くつく可能性があります。追加のプロトタイプを作成するために必要なコストと時間の投資が少ないため、ラピッド プロトタイピングは、大量生産段階でコストのかかるエラーのリスクを大幅に削減します。

3D プリントの用途

現時点では、製造業は別として、3D プリントに対する誇大宣伝とメディアの注目のほとんどは、その消費者向けアプリケーションを取り囲んでいます。 1,000 ドル以下のラップトップを持っている人なら誰でも、想像できるほぼすべてのオブジェクトを設計および構築できるというのは、紛れもなく「きちんとした」ことです。

ただし、3D プリンティングの真価は、その商用アプリケーションにあります。 3D プリントを活用している主要な業界には次のようなものがあります。

航空および航空宇宙 — 3D プリントは、航空業界に明らかなメリットをもたらします。最も注目に値するのは、航空会社が強力で軽量な素材を使用しながら、プロトタイプを迅速かつ低コストで構築できるようにすることです。現在、3D プリントは、シート バック テーブルやヘッドレストなどの内部トリム アイテムから、エンジン コンポーネントや兵器に至るまで、あらゆるものを製造するために使用されています。

ますます大型化する 3D プリンターの開発により、近い将来、3D プリントを使用してさらに多くのコンポーネントが構築されることが期待できます。おそらく航空機エンジン全体でさえもです。

ヘルスケア — これまで、インプラントや補綴物を利用できるようにすることは、患者のケアにとって実質的で費用のかかるハードルでした。しかし、ここ数年、3D プリントは、さまざまな手術用切断ガイド、人工装具、さらには患者固有のインプラントの開発に使用されてきました.

材料が進化するにつれて、業界は 3D プリントを使用して、ターンアラウンド タイムとコストを削減しながら、ますます軽く、強く、安全な製品を構築できるようになりました。

自動車 — 数十年にわたり、自動車業界は 3D プリントやその他の付加製造技術を使用してプロトタイプを作成してきました。当初、これは自動車業界で 3D プリントの唯一の実行可能な用途でした。利用可能な材料が実際の使用に十分な堅牢性を備えていなかったためです。

しかし、材料が進化するにつれて、3D プリントは業界でより大きな役割を担うようになりました。現在、この技術は、製造時に必要なさまざまな金型、熱成形ツール、グリップ、ジグ、固定具の製造に日常的に使用されています。つまり、3D プリントは他の製造技術を補強するために使用されています。

しかし、それだけではありません。 3D プリントも 特定の車両を調整するために使用されるボディ シェルや内部コンポーネントなどのカスタム パーツの製造に非常に役立ちます。

アーキテクチャ — 建築業界は、建築後のプロジェクトがどのように見えるかを顧客や投資家に示すために、縮尺模型に依存しています。これらのモデルは歴史的に手作業で構築されており、多くの場合、完成までに数百の工数が必要でした。当然、3D プリントはすべてを変えました。

建築プロジェクトはすでに コンピューター ソフトウェアを使用して設計されているため、3D 印刷の自然な候補です。今では、CAD ファイルが完成したら、そのまま印刷に送ることができるため、時間を大幅に節約し、正確なモデルの複製を保証できます。

3D プリントとアディティブ マニュファクチャリングの次は?

これまでのところ、広く商業的に採用されているのは、最先端の技術であることですでに有名な業界、特に製造、航空、自動車、ヘルスケアなどに限られています。

ただし、ハードウェアと材料が常に改善されているため、3D プリントが今後数年間成長し続けることは間違いありません。

3D プリントされた家から車まで、私たちが日常的に使用するほぼすべてのものが、この一見宇宙時代の技術を使用して構築できるようになるまで、それほど時間はかかりません。