ニアネットシェイプ製造：廃棄物削減、時間短縮、コスト削減

ニアネットシェイプ製造が時間とコストを節約する仕組み

製造金属オブジェクトは鋳造、鍛造、機械加工によって作られ、時に廃棄物が生じます。ニアネットシェイプ製造は、アイテムや部品を最終形状にできるだけ近い状態で生産することを目指し、廃棄物を減らし、時間とコストを節約し、エネルギーと資源需要の減少により環境影響を軽減します。

ニアネットシェイプ製造とは？

ニアネットシェイプ製造は、オブジェクトを最終形状にできるだけ近い状態で作るよう生産プロセスを計画することで、完成品を生産するのに必要な時間を短縮する実践です。

鋳造とは？

鋳造は通常、ニアネットシェイプ製造の最初のステップです。鋳造は熱した金属を予め形作った型に流し込み、最終形状に近い製品を形成します。ほとんどの鋳造所は砂型鋳造で金属鋳造品を作ります。砂型鋳造は砂型を使って熱した金属をオブジェクトに成形します。砂型鋳造は中国最古の王朝である殷王朝時代の紀元前1300年頃に初めて使用されました。

インベストメント鋳造（精密鋳造またはロストワックス鋳造とも呼ばれる）は砂型鋳造より廃棄物が少なく、ニアネットシェイプに近い製品を生産します。インベストメント鋳造は6000年前に起源を持ち、歴史的に複雑な彫刻やジュエリーの制作に使用されてきました。砂型鋳造よりニアネットシェイプに近い製品を作れますが、インベストメント鋳造はより複雑で労働集約的なプロセスであり、プロジェクトによっては全体的な生産コストが高くなる可能性があります。

鋳造収縮とは？

高校物理で習った同じ原理—熱すれば膨張し、冷やせば収縮する—が金属製造にも適用されます。金属は加熱されると膨張し、冷却されると収縮します。このプロセスを熱膨張と呼びます。

鋳造プロセス中の熱膨張の影響は、鋳造収縮による収縮空洞などの製品欠陥をもたらす可能性があります。鋳造所はライザー（鋳型に組み込まれた余分な溶融金属貯蔵庫）を使用して収縮を減らし、冷却中の鋳造品内部に空洞が形成されるのを防ぎます。断熱材「ホットトッピング」は、鋳造品内の金属が固まる間ライザーを熱く保つのに役立ちます。ライザーは最終製品から取り除く必要があり、金属廃棄物が生じます。

収縮許容値

金属はその元素と組成によって熱膨張への反応が異なりますが、収縮は鋳造設計によっても影響を受けます。鋳造プロセス中の典型的な収縮許容値は以下の通りです：

金属	収縮率（%）
グレー鋳鉄	0.7〜1.05
白鋳鉄	2.1
可鍛鋳鉄	1.5
鋼	2.0
真鍮	1.4
アルミニウム	1.8
アルミニウム合金	1.3〜1.6
青銅	1.05〜2.1
マグネシウム	1.8
亜鉛	2.5
マンガン鋼	2.6

金属の選択は、鋳造金属オブジェクトのニアネットシェイプに影響を与える可能性があります。

機械加工とは？

機械加工は、金属製品を削り、切削、研削、穴あけ、ボーリングして最終形状にするプロセスです。石を彫刻したり木材を彫ったりするのと同様に、機械加工は余分な材料を除去することで金属を成形します。ニアネットシェイプ生産は通常鋳造から始まります。ゼロから金属形状を機械加工するのは廃棄物が多すぎて実用的ではないからです。機械加工は金属製品の製造における重要な仕上げステップで、最終製品が滑らかで精密に成形され、目的に適した状態になることを保証します。ニアネット生産は可能な限り機械加工を最小限に抑えることを目指します。

鍛造とは？

鍛造は、ハンマーで叩く、圧搾、圧延などの圧縮圧力で金属を成形します。鍛造方法には熱間鍛造と冷間鍛造の両方が含まれます。鍛造の最良の例は、昔ながらの鍛冶屋がハンマーとトングを使って金床で熱した馬蹄鉄を叩き出す古典的なイメージです。今日、ほとんどの鍛造は巨大なプレス機を使用して産業規模で行われます。産業鍛造には仕上げのための機械加工が必要ですが、機械加工の必要性を減らす、あるいは排除するほど形状を整えて完成品に近い製品を提供できる鍛造機の開発が進められています。鍛造方法には、ドロップ、ロール、プレス、オープンおよびクローズドダイ鍛造、精密鍛造が含まれます。摩擦溶接は、運動と力で発生する熱を利用して鍛造金属接合を生み出す別の鍛造技術です。

3Dプリンティングとは？

3Dプリンティングは有望な新しいニアネット技術です。産業用3Dプリンティングは積層造形（または積層製造）と呼ばれます。積層造形はコンピュータを使用して、材料の積層を精密に制御し、非常に少ない廃棄物で予め設計されたオブジェクトを生産します。材料を層ごとに適用して、詳細なコンポーネント部品と製品を生産します。積層造形はカスタマイズ可能なコンポーネントと製品を可能にするほど柔軟で、個別の補聴器部品や個別靴などが含まれます。積層造形は輸送、航空宇宙、エネルギー分野のカスタムおよびコンポーネント部品の作成でますます重要な役割を果たしています。

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