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アディティブ マニュファクチャリングとは - 種類と働き

アディティブ マニュファクチャリングとは

付加製造 (AM) は 3D プリンティングとも呼ばれ、軽量で強度の高い部品やシステムの作成を可能にする工業生産への革新的なアプローチです。その名前が示すように、アディティブ マニュファクチャリングは材料を追加してオブジェクトを作成します。

アディティブ マニュファクチャリング (AM) またはアディティブ レイヤー マニュファクチャリング (ALM) は、3D プリントの工業生産名です。これは、通常は層状に材料を堆積させることによって 3 次元オブジェクトを作成するコンピューター制御のプロセスです。

GE Additive によると、これはアナログからデジタル プロセスへの移行によって可能になったもう 1 つの技術的進歩です。ここ数年で、通信、画像処理、数十年、建築、工学はそれぞれ独自のデジタル革命を経験しました。現在、AM はデジタルの柔軟性と効率性を製造にもたらすことができます。

アディティブ マニュファクチャリングでは、CAD (コンピュータ支援設計) ソフトウェアまたは 3D オブジェクト スキャナを使用してハードウェアを制御し、材料が層ごとに正確な幾何学的形状で堆積されるようにします。名前が示すように、アディティブ マニュファクチャリングは、材料を追加してオブジェクトを作成します。対照的に、従来の手段でオブジェクトを作成する場合、多くの場合、機械加工、彫刻、フライス加工、成形などによって材料を除去する必要があります。

「3D プリンティング」と「ラピッド プロトタイピング」という用語は、アディティブ マニュファクチャリングを議論するために何気なく使用されていますが、実際には各プロセスはアディティブ マニュファクチャリングのサブセットです。

アディティブ マニュファクチャリングは多くの人にとって目新しいものに見えるかもしれませんが、実際には数十年前から存在しています。適切なアプリケーションでは、アディティブ マニュファクチャリングは、パフォーマンスの向上、複雑な形状、製造の簡素化という完璧な 3 つの機能を提供します。その結果、アディティブ マニュファクチャリングに積極的に取り組んでいる人には多くのチャンスがあります。

AM を発明したのは誰?

3D プリント用の最も初期の生産設備は、名古屋市工業研究所の児玉秀夫氏が 3D モデルを作成するための 2 つの付加的な方法を発明したときに開発されました。

アディティブ マニュファクチャリングの仕組み

CAD (Computer-Aided Design) または 3D オブジェクト スキャナーの助けを借りて、アディティブ マニュファクチャリングは正確な幾何学的形状を持つオブジェクトの作成を可能にします。これらは、余分な材料を除去するために機械加工やその他の技術を必要とすることが多い従来の製造とは対照的に、層ごとに構築されます。

3D プリンティング、ラピッド プロトタイピング、アディティブ マニュファクチャリングは、一般的に同じプロセスを表すために使用される用語です。複雑な構造とコンポーネントは、段階的に構築される材料を重ねることによって作成されます。

この技術は 30 年以上にわたって使用されてきましたが、人気が高まったのは最近のことであり、もはや 3D プリントされたプロトタイプを作成する手段ではなく、完全に機能するコンポーネントを提供しています。 3D プリント業界は、提供されている精密技術を利用したい重工業から医療までのセクターにサービスを提供しているため、可能性はほぼ無限です。

アディティブ マニュファクチャリングは科学に新たな機会をもたらす可能性を秘めていますが、その概念とその仕組みは驚くほど単純です。

積層造形技術

1. 焼結

焼結中、液化することなく固体の塊を作るために熱が使用されます。焼結は、トナーを選択的に溶かして紙に画像を作成する従来の 2D コピーに似ています。

2. 直接金属レーザー焼結 (DMLS)

DMLS 内では、レーザーが金属粉末の各層を焼結し、金属粒子が互いに付着するようにします。 DMLS マシンは、望ましい表面特性と必要な機械的特性を備えた高解像度のオブジェクトを生成します。 SLS では、レーザーが熱可塑性粉末を焼結し、粒子を互いに付着させます。

3. 直接金属レーザー溶融 (DMLM) および電子ビーム溶融 (EBM)

対照的に、DMLM および EBM プロセスの材料は完全に溶融します。 DMLM では、レーザーが金属粉末の各層を完全に溶融しますが、EBM では高出力の電子ビームを使用して金属粉末を溶融します。どちらのテクノロジーも、高密度で非多孔質のオブジェクトを作成するのに理想的です。

4. ステレオリソグラフィー (SLA)

光造形法 (SLA) は、光重合を使用してセラミック オブジェクトを印刷します。このプロセスでは、UV レーザーを使用して、フォトポリマー樹脂製の容器に選択的に焼き付けます。 UV 硬化樹脂は、極端な温度に耐えられるトルク耐性のある部品を製造します。

プロセスにかかる時間は?

造形時間には、パーツのサイズや造形に使用される設定など、いくつかの要因が影響します。高品質のアイテムは生産に時間がかかるため、印刷時間を決定する際には完成品の品質も重要です。

AM は、数分から数時間または数日続くことがあります。ここでは、速度、解像度、および素材の量が重要な要素です。

付加製造材料

さまざまな素材を使用して 3D プリント オブジェクトを作成することができます。 AM 技術は、高度な金属合金からジェット エンジン部品を製造し、チョコレート菓子やその他の食品も製造しています。

アディティブ マニュファクチャリング プロセスの種類

以下を含む、独自の基準を持つ明確な AM プロセスがいくつかあります。

1.バインダージェッティング

バインダー ジェッティング プロセスでは、2 つの材料が使用されます。粉末ベースの材料とバインダー。バインダーは、粉末の層の間の接着剤として機能します。通常、結合剤は液体で、建材は粉末です。

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、建材と結合材の層を交互に堆積させます。各レベルの後、印刷するオブジェクトをビルド プラットフォームに降ろします。

製本方法が原因で、材料特性が常にコンポーネントに適しているとは限らず、相対的な印刷速度にもかかわらず、追加の後処理によってプロセス全体が大幅に延長される可能性があります。

他の粉末ベースの製造プロセスと同様に、印刷されるオブジェクトは粉末床で自立しており、完成後に結合されていない粉末から取り除かれます。

画像ソース:https://www.additively.com/en/learn-about/binder-jetting

バインダージェッティング – ステップバイステップ

2.指向性エネルギー堆積 / 電子ビーム溶解 (EBM)

Directed Energy Deposition (DED) は、多くの用語をカバーしています。これはより複雑な印刷プロセスであり、既存のコンポーネントを修復したり、材料を追加したりするために一般的に使用されます。

典型的な DED マシンは、多軸アームに取り付けられたノズルで構成されており、溶融した材料が凝固する特定の表面に堆積します。このプロセスは原理的には材料の押し出しに似ていますが、ノズルは複数の方向に移動でき、特定の軸に取り付けられていません。

4 軸および 5 軸マシンのおかげで任意の角度から堆積できる材料は、レーザーまたは電子ビームによる堆積中に溶融されます。この方法は、ポリマーやセラミックに使用できますが、通常は粉末やワイヤーの形の金属に使用されます。典型的なアプリケーションには、構造部品の修理と保守が含まれます。

直接エネルギー堆積 – ステップバイステップ

3.素材の押し出し

Fuse Deposition Modeling (FDM) は、一般的な材料押し出しプロセスであり、Stratasys によって商標登録されています。材料はノズルから引き出され、そこで加熱され、層ごとに堆積されます。新しい層が堆積されるたびに、ノズルは水平方向に移動でき、プラットフォームは垂直方向に上下に移動します。これは、多くの低価格の家庭用および趣味用の 3D プリンターで一般的に使用されている手法です。

このプロセスには、最終的なモデルの品質に影響を与える多くの要因がありますが、これらの要因がうまく制御されている場合、大きな可能性と実現可能性があります。 FDM は、層ごとに構築されるという点で他のすべての 3D 印刷プロセスと似ていますが、材料が一定の圧力と連続的な流れでノズルから追加されるという点で異なります。

正確な結果を得るには、この圧力を一定に保ち、速度を一定に保つ必要があります。材料の層は、温度制御または化学的手段を使用して結合できます。材料は、多くの場合、図に示すようにコイルの形で機械に追加されます。

画像ソース:https://www.additively.com/en/learn-about/fused-deposition-modeling

材料の押し出し – ステップバイステップ

4.パウダーベッドフュージョン

粉末床融合プロセスには、次の一般的に使用される印刷技術が含まれます:直接金属レーザー焼結 (DMLS)、電子ビーム溶融 (EBM)、選択的加熱焼結 (SHS)、選択的レーザー溶融 (SLM)、および選択的レーザー焼結 (SLS)。

粉末床核融合 (PBF) プロセスでは、レーザーまたは電子ビームを使用して、粉末状の材料を溶かし、それらを融合させます。電子ビーム溶解 (EBM) プロセスには真空が必要ですが、金属や合金に使用して機能部品を作成できます。すべての PBF プロセスで、粉末材料は前の層の上に分配されます。

これを実現するには、ローラーやブレードなど、いくつかのメカニズムがあります。ベッドの下の漏斗またはリザーバーにより、新鮮な材料が確実に供給されます。直接金属レーザー焼結 (DMLS) は SLS と同じですが、プラスチックではなく金属を使用します。

このプロセスでは、粉末を層ごとに焼結します。選択的熱焼結は、加熱されたサーマル プリントヘッドを使用して粉末材料を一緒に溶かすという点で、他の方法とは異なります。以前と同様に、層は定着層の間にローラーで追加されます。プラットフォームはそれに応じてモデルを下げます。

パウダー ベッド フュージョン – ステップ バイ ステップ

5.シートラミネーション

シート積層プロセスには、超音波添加剤 (UAM) の製造と積層オブジェクト (LOM) の製造が含まれます。超音波添加剤の製造では、超音波溶接によって互いに接続された金属シートまたはストリップが使用されます。

このプロセスでは、多くの場合溶接プロセス中に、追加の CNC 機械加工と結合していない金属の除去が必要です。積層造形物製造 (LOM) は、同様のレイヤーごとのアプローチを使用しますが、材料として紙を使用し、溶接の代わりに接着剤を使用します。 LOM プロセスでは、印刷時にハッチング方式を使用して、作成後に簡単に除去できます。

ラミネートされたオブジェクトは、審美的および視覚的なモデルに使用されることが多く、構造上の目的には適していません。 UAM は金属を使用し、アルミニウム、銅、ステンレス鋼、およびチタンが含まれます。このプロセスは低温であり、内部形状の作成を可能にします。このプロセスでは、さまざまな材料を組み合わせることができ、金属が溶けないため、必要なエネルギーは比較的少なくなります。

シートラミネート – ステップバイステップ

6.バット重合

槽重合では、液体フォトポリマー樹脂で作られた槽が使用され、そこからモデルが層ごとに構築されます。必要に応じて紫外線 (UV) 光を使用して樹脂を硬化または硬化させます。その間、新しい層が硬化するたびにプラットフォームが製造されたオブジェクトを下に移動します。

このプロセスでは液体を使用してオブジェクトを形成するため、建設段階で材料による構造的なサポートはありません。非結合材料によってサポートが提供される粉末ベースのプロセスとは対照的です。この場合、多くの場合、サポート構造を追加する必要があります.

樹脂は、光重合プロセスまたは UV ライトを使用して硬化されます。UV ライトでは、電動ミラーを使用して樹脂の表面全体に光が照射されます。レジンに光が当たると硬化したり硬化したりします。

光重合 – ステップバイステップ

7.材料噴射

マテリアル ジェッティングは、2 次元インクジェット プリンターと同様の方法でオブジェクトを作成します。材料は、継続的またはドロップ オン デマンド (DOD) アプローチを使用してビルド プラットフォームに注入されます。

材料は表面またはプラットフォームに吹き付けられ、そこで固化し、モデルが層ごとに構築されます。材料は、ビルド プラットフォームを横切って水平に移動するノズルから堆積されます。機械は、その複雑さと、材料の堆積を制御する方法が異なります。次に、紫外線 (UV) 光を使用して材料の層を硬化または硬化させます。

材料はドロップで配置する必要があるため、使用できる材料の数は限られています。ポリマーとワックスは、粘性があり、液滴を形成する能力があるため、適切で広く使用されている材料です。

マテリアル ジェッティング – ステップ バイ ステップ

アディティブ マニュファクチャリングの利点

アディティブ マニュファクチャリングの応用

航空宇宙

AM は、軽量で複雑な幾何学的設計の部品の製造に優れています。そのため、軽量で強度の高い航空宇宙部品を製造するための完璧なソリューションとなることがよくあります。

2013 年 8 月、NASA は、20,000 ポンドの推力を生成する高温燃焼試験中に、SLM 刻印入りロケット インジェクターの試験に成功しました。 2015 年、FAA は商用エンジンで使用する最初の 3D プリント部品を承認しました。 CFM の LEAP エンジンには、3D プリントされた 19 個の燃料ノズルがあります。 Aviation Week によると、2017 年のパリ航空ショーでは、FAA 認定のチタン ワイヤー製のボーイング 787 構造部品が展示されました。

自動車

CNN は、マクラーレン レーシング チームがフォーミュラ 1 レースカーに 3D プリント部品を使用していると報じました。リア ウィングの交換は、5 週間ではなく約 10 日で完了しました。チームは、アディティブ マニュファクチャリングを使用して、すでに 50 を超えるさまざまな部品を製造しています。

自動車業界では、生産部品が登場するにつれて、AM のラピッド プロトタイピングの可能性が深刻な関心を集めています。たとえば、アルミニウム合金は排気管やポンプ部品の製造に使用され、ポリマーはバンパーの製造に使用されます。

ヘルスケア

ニューヨーク大学医学部では、300 人の患者を対象とした臨床研究で、アディティブ マニュファクチャリングを使用して、患者固有の多色の腎臓がんモデルの有効性を評価しています。この研究では、そのようなモデルが術前の評価と手術中のガイダンスで外科医を効果的にサポートするかどうかを調査します。

世界的な医療機器メーカーの Stryker は、オーストラリアでの研究プロジェクトに資金を提供しており、積層造形技術を使用して、骨がん患者向けのオーダーメイドのオンデマンド 3D プリント外科用インプラントを作成しています。

一般に、アディティブ マニュファクチャリングのヘルスケア アプリケーションは成長しており、特に AM で構築された医療機器の安全性と有効性が実証されている場合に顕著です。ユニークな合成臓器の生産も有望です。

製品開発

AM の設計の柔軟性の可能性が実現されるにつれて、かつては不可能だった設計コンセプトの再考に成功しています。アディティブ マニュファクチャリングは、デザイナーがかつて働いていた制約から解放されて、創造的な可能性を解き放ちます。

よくある質問

アディティブ マニュファクチャリングとは

付加製造 (AM) は 3D プリンティングとも呼ばれ、軽量で強度の高い部品やシステムの作成を可能にする工業生産への革新的なアプローチです。その名前が示すように、アディティブ マニュファクチャリングは材料を追加してオブジェクトを作成します。

アディティブ マニュファクチャリング プロセスとは

アディティブ マニュファクチャリングは、特定の 3D プリント プロセスです。このプロセスでは、デジタル 3D 設計データに従って材料を堆積させることにより、パーツをレイヤーごとに構築します。たとえば、固体ブロックから工作物をフライス加工する代わりに、積層造形では、微粉末として供給される材料から層ごとにパーツを構築します。

アディティブ マニュファクチャリングにはどのような種類がありますか?

アディティブ マニュファクチャリングの種類:

  1. バインダージェッティング
  2. 指向性エネルギー蓄積
  3. パウダーベッド フュージョン。
  4. シートラミネーション。
  5. 素材の押し出し
  6. マテリアルジェッティング
  7. バット光重合

アディティブ マニュファクチャリングとは?

アディティブ マニュファクチャリングは、一度に 1 つのレイヤーを構築してオブジェクトを作成するプロセスです。これは、最終製品が完成するまで材料の固いブロックを切り取ってオブジェクトを作成するサブトラクティブ マニュファクチャリングの反対です。

アディティブ マニュファクチャリングで作られる製品は?

一般的な用途には、環境制御システム (ECS) のダクト、カスタム化粧品の航空機内装部品、ロケット エンジン部品、燃焼器ライナー、複合材用工具、オイルおよび燃料タンク、UAV コンポーネントなどがあります。 3D プリントは、強度の高い複雑な統合パーツを提供します。

アディティブ マニュファクチャリングと呼ばれる理由

これは、製品を作成または鍛造する他の従来の形式とは異なります。この形式では、最終製品を実現するために、より大きな対象物から材料が切り取られたり除去されたりします。 「アディティブ マニュファクチャリングと呼ばれるのはなぜですか?」という質問に簡単に答えると、それは製造プロセスが原材料を差し引くのではなく追加するためです。

アディティブ マニュファクチャリングは 3D プリントと同じですか?

3D プリンティングとアディティブ マニュファクチャリングという用語の間に違いはありません。 3D プリンティングとアディティブ マニュファクチャリングは、同じプロセスの同義語です。どちらの用語も、CAD ファイルから材料をレイヤーごとに結合してパーツを構築するプロセスを指します。

光造形とは?

Stereolithography (SLA) は、CAD 図面からソリッド プロトタイプ、パターン、および製品を構築する積層造形プロセスです。 SLA を使用すると、CAD を使用したレーザー ビーム銃から織り上げた固体プラスチック プロトタイプの構築が可能になります。

アディティブ マニュファクチャリングの利点は何ですか?

アディティブ マニュファクチャリングの利点:

溶接は積層造形ですか?

金属部品の製造のための付加製造 (AM) における溶接の適用は、最も急速に成長している研究開発の関心事の 1 つです。レーザー、電子ビーム、アーク溶接などのエネルギー源を使用して、原材料を粉末またはワイヤの形で溶かして堆積させます。

アディティブ マニュファクチャリングの欠点は何ですか?

短所 – 製造コストが高い – 付加製造以外の技術を使用すると、部品をより速く製造できるため、余分な時間がコストの上昇につながる可能性があります。その上、高品質の積層造形機は高価になる可能性があります。

アディティブ マニュファクチャリングを発明したのは誰ですか?

チャック・ハル は、3D Systems の共同創設者であり、エグゼクティブ バイス プレジデントであり、最高技術責任者でもあります。彼は、最初の商用ラピッド プロトタイピング技術であり、広く使用されている STL ファイル形式である SLA 3D プリンターの発明者の 1 人です。

アディティブ テクノロジーはどのようなタスクに使用されますか?

アディティブ マニュファクチャリングとラピッド プロトタイピングの違いは何ですか?

ラピッドプロトタイピングとは、プロトタイプを迅速に作成することを意味します。アディティブ マニュファクチャリングとは、材料を徐々に追加して製品を製造するあらゆる製造プロセスを指します。

ジェネレーティブ マニュファクチャリングとアディティブ マニュファクチャリングの違いは何ですか?

ジェネレーティブ デザインは従来の方法で機能するほど洗練されていますが、アディティブ マニュファクチャリングは最も自由度の高いテクノロジーを提供します。その理由を理解するのは難しくありません。ジェネレーティブ デザインで作成されたパーツの例。システムは、左側の 2 つの設計を 3 軸フライス加工と鋳造アルミニウムに最適化しました。

アディティブ マニュファクチャリングの歴史は?

アディティブ マニュファクチャリングは、1987 年に 3D Systems のステレオリソグラフィー (SL) によって初めて登場しました。これは、レーザーを使用して紫外線 (UV) 感光性液体ポリマーの薄層を凝固させるプロセスです。世界で最初に市販された AM システムである SLA-1 は、かつて人気のあった SLA 250 マシンの前身でした。

なぜ 3D プリントが発明されたのですか?

このアイデアは、1988 年に、グルーガンを使ってろうそくのロウを使って娘のためにカエルのおもちゃを作ろうとしていたときに思いつきました。 1989 年、Crump はこの技術の特許を取得し、妻と共同で Stratasys Ltd. を設立し、ラピッド プロトタイピングまたは商業生産用の 3D 印刷機を製造および販売しました。

ステレオリソグラフィーで使用される液体は?

光造形法 (または SLA) は、これまでに開発された最も古い 3D 印刷技術の 1 つです。この付加製造プロセスは、光化学プロセスを使用して樹脂材料を 3D プリントするために使用されます。この SLA 3D プリント プロセスでは、硬化可能な液体フォトポリマー樹脂のバットを使用します。

3D 印刷機を発明したのは誰?

Charles Hull は、一般に 3D プリンティングとして知られる最初の商用ラピッド プロトタイピング技術であるステレオリソグラフィーの発明者です。初期の用途は研究開発ラボとツール ルームでしたが、今日の 3D プリントの用途は無限にあるようです。

アディティブ マニュファクチャリングは未来ですか?

2021 年もこの進歩は続き、大小のソフトウェア企業がアディティブ テクノロジの要件を満たすソフトウェア ソリューションに注目しています。この進化は、AM を工業化へと前進させる次世代のソフトウェア ツールを促進します。

アディティブ マニュファクチャリングは高価ですか?

プロセスとコンポーネントの設計に応じて、積層造形の変動費は、ポリマーや金属の加工など、従来の製造の 5 倍から 50 倍になる可能性があります。

アディティブ マニュファクチャリング GE とは

GE Additive は現在、機械、材料、エンジニアリング設計の専門知識を提供し、顧客と提携して、ビジネスへの添加剤の導入を支援しています。 Concept Laser および Arcam マシンは、航空宇宙、医療、歯科、宝石業界の顧客をすでにサポートしています。

付加溶接とは?

ワイヤー アーク付加製造は、自動化された金属不活性ガス (MIG) 溶接またはレーザー熱線溶接と直接堆積 3D プリントを組み合わせたプロセスです。

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の違いは何ですか?

アディティブ マニュファクチャリング プロセスでは、レイヤーごとに材料を追加してオブジェクトを構築しますが、サブトラクティブ マニュファクチャリングでは、材料を除去してパーツを作成します。

アディティブ マニュファクチャリングは成長していますか?

アディティブ マニュファクチャリングは、2020 年から 2026 年までの世界市場の成長を予測しています。 2020 年から 2023 年にかけて、世界のアディティブ マニュファクチャリング市場は毎年約 17% 成長すると予想されています。現在、3D プリント材料市場はプラスチックが独占していますが、金属材料が市場の成長に拍車をかけると予測されています。

アディティブ マニュファクチャリングはどれくらい持続可能ですか?

プロセス自体として、アディティブ マニュファクチャリングはすでに、より持続可能な生産手段となっています。これは、3D プリントが余分な材料の使用を排除し、事実上最初から不要な廃棄物を排除するという事実から特に明らかです。

アディティブ マニュファクチャリングの主な課題は何ですか?

課題は、現在の製造技術によって決定される部品とアセンブリの設計を特定し、AM がパフォーマンスを改善できるかどうかを検討することです。 AM により、従来の製造方法では実現不可能な形状を作成できるため、設計の自由度が高まります。

アディティブ マニュファクチャリングとは何ですか?

アディティブ マニュファクチャリング (AM) またはアディティブ レイヤー マニュファクチャリング (ALM) は、3D プリントの工業生産名であり、通常は層状に材料を堆積させて 3 次元オブジェクトを作成するコンピューター制御のプロセスです。

アディティブ マニュファクチャリングが導入された理由

金属付加製造 (3D プリンティング) は、従来の製造ルートの設計上の制約なしに複雑な部品を製造する可能性を提供します。


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