自動車・航空宇宙向けモジュラー精密プリントソリューション

APS Tech Solutionsは、オーストリア・ヘッヒストのAutomatisierte Produktions Systeme GmbHの一事業部です。1987年設立以来、自動車、航空、機械市場向けの3Dウォータージェット切断とツーリングマシンのエンジニアリング、メカニカル、ロボティックソリューションを提供しています。

「3年前、非常に汎用性の高い3Dプリンターが欲しかったが、要件を満たすものが見つからなかった」と、APS Tech Solutionsビジネス開発のニコライ・ワムプル氏は言います。「そこで、独自システムのWizard 480+を作り、昨年発売しました。連続繊維、標準熱可塑性フィラメント、金属、セラミックスでプリントできます。」

Wizard 480+のプリントボリュームは、長さ400mm x 幅230mm x 高さ370mmで、プリントベッドは200℃まで加熱可能。連続繊維フィラメントプリント用ノズルは500℃まで加熱可能です。

産業用複合材料向けデスクトッププリンターが本当に必要か？「我々の目標は産業用デスクトッププリンターではなく、より実際の産業用マシンでした」とワムプル氏。「制約のない汎用プリンターが欲しかったが、圧倒されないセットアップで。例えば、低コストデスクトッププリンターを改造して汎用性を高めることは可能だが、多くのノウハウと時間が必要。反対に、産業用プリンターでは少数の材料で大量生産できるが、新しいものをプリントしようとすると難しくなる。市場にあるすべての材料で高品質にプリントしたかった。」例えば、以下で議論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。

「我々が扱う3Dウォータージェット切断とツーリングマシンは、正しく動作するために精密に構築されなければなりません」とワムプル氏は説明します。「この知識をWizard 480+に注ぎ込み、プリント部品の精度を高めました。もう一つの違いは、CNCマシンのようなツールチェンジングシステムを持っていることで、1回のプリントで複数種類の材料を使用できます。例えば、顧客が1回のプリントで2種類の異なる連続繊維を使いたい場合、プリントヘッドが交換可能なので可能です。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（溶解積層造形）フィラメントも使用可能。すべてのパーツに連続繊維が必要なわけではありません。シンプルなセラミックとメタルグリーンパーツ用のプリントヘッドもあり、例えばスチールやチタンが使用可能です。なお、セラミックとメタルパーツは第二工程で焼結が必要なため、この高温後処理の関係でプラスチックは含まれません。」

オープンシステム

「ほとんどの企業は、金属用と非金属用で2台の別々のマシンを持っています」とワムプル氏。「しかし新規開発では、新しい材料を試すたびに新しいプリンターを買いたくありません。閉鎖的で制限されたシステムではなく、モジュラーで柔軟なシステム、プリント部品を強化・変更できるシステムが欲しかった。」例えば、顧客が連続繊維と熱可塑性ポリウレタン（TPU）でプリントしたい場合。「これは粘度が急激に低下するため、プリント中の一貫性維持が難しい材料です。しかし、これに対応できるプリンターが欲しかった。」

Wizard 480+は、ガラス繊維や銅線を含むあらゆる連続フィラメントでプリントできるように設計されています。「標準連続繊維フィラメントは1Kカーボンファイバー/PAですが、PEEKやPLA（ポリ乳酸）も使用しており、3Kカーボンファイバーまで対応可能です」とワムプル氏。APS Tech Solutionsは連続フィラメントを市場に供給したいと考えていますが、プリンターはこれらに制限されません。

Wizard 480+はソフトウェアでもオープンです。「常に特殊なエンジニアリングが必要でした」とワムプル氏。「だからこそ、最大限の制御が欲しかった。多くのプリンターでは、ソフトウェアによって少し制限されます。しかし我々のソフトウェアでは、繊維を望む場所に正確に配置でき、いかなるアルゴリズムにも制限されません。アルゴリズムを使って繊維配置を生成することもできますが、エンジニアが繊維をどう配置するかを制御できることを望みました。なぜなら、パーツがどう使われ、どんな力がどこにかかるかを彼らが知っているからです。」

そうは言っても、システムは比較的使いやすいとワムプル氏。「例えば、2つの異なる材料でプリントするには、CADで2つの異なるパーツを作成します。そして、どのパーツをどの材料でプリントするかをSimplify3D（米国オハイオ州シンシナティ）で選択します。これは多くの産業用3Dプリンターで使用されるスライサーソフトウェアです。その後、ポストプロセッサーがGコードを生成してプリントします。Simplify3Dでインフィル層高さと密度などすべてのプリントパラメータを設定できます。ポストプロセスでは、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繊維フィラメント使用など、あまり一般的でない機能があるため、マシン用に調整されます。」

「本当に一つだけ制約があります」とワムプル氏。「プリントフィラメントの長さです。最小20ミリメートルです。エンジニアが特定のプリント長を20ミリメートル未満にすると、問題が発生し、ポストプロセッサーが不可能と知らせます。」

期待される品質、提供される品質

最初のWizard 480+顧客は、高性能スタンピングツールメーカーStepper Fritz GmbH & Co. KG（ドイツ、プフォルツハイム）。「彼らのツールのスペアパーツが必要で、プリントできるか尋ねられました」とワムプル氏。「複雑な形状と材料の組み合わせ（連続カーボンファイバー、熱可塑性マトリックス、水溶性サポート）が必要で、適切な3Dプリンターを見つけるのに苦労していました。」このパーツの前バージョンはCNC切削アルミニウムで製造されていました。「形状を変更せずにプリントし、インサート用ネジ山も統合しました」とワムプル氏。「外殻に市販のチョップドカーボンファイバー充填PAフィラメント、内部に自社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。」

Stepperがパーツを評価、要求精度を満たすと判断し、最初のマシンを注文したとワムプル氏。「2020年7月から問題なく稼働しており、この精度で部品を生産し続けています。」

冒頭画像の顕微鏡写真に示すように、プリントされた繊維強化複合材料の品質も高いです。APS Tech Solutionsの1K連続カーボンファイバー強化PEEKフィラメント5層を特徴とし、プリント直後に切断・顕微鏡撮影され、さらなる凝縮や後処理なし。材料はFH Vorarlberg（ドイツ、フォアアールベルク応用科学大学）で試験され、バイロイト大学（ドイツ、バイロイト）で顕微鏡撮影されました。結果は引張強度1,060メガパスカル、曲げ強度750メガパスカルを示しました。「しかしこれは非常に初期のテストであり、現在より標準化されたテストを準備中で、技術者たちはさらに高い特性が達成できると考えています」とワムプル氏。

「現時点では、主に市場にあるものに満足していない大学やStepperのような企業への販売が中心です」とワムプル氏。「優れた技術を持つ連続繊維3Dプリンターはありますが、ほとんどは材料やソフトウェアで制限されています。我々の目標は、最高品質のパーツと柔軟性を必要とする顧客、例えばメカニカル・スペシャリティエンジニアリング企業、材料科学・開発に携わる企業にサービスを提供することです。」

同社は、6軸ロボットアームへのシステム適応や宇宙用途材料など、独自の新規開発にも取り組み続けています。「3Dプリント複合材料は、これまで見られてきたよりもはるかに広い用途があると信じていますが、我々はそれらの地平を広げ、産業用パーツの新たな可能性を可能にしています。」