金属3D印刷で金属部品を軽量化

軽量の金属部品を作成することは、自動車や航空宇宙などの高性能産業にとっての聖杯です。そのため、メーカーは、部品の性能が向上した軽量の金属部品を設計および製造する新しい方法を模索し続けています。 3Dプリント 、複雑な設計を作成する能力を備えているため、軽量の金属部品に対するニーズの高まりに対する解決策になる可能性があります。

なぜメーカーは軽量の金属部品を求めているのですか？

航空宇宙や自動車などの業界は、燃料消費効率を最適化し、生産コストを削減し、有害な排出物に関する厳しい規制基準を満たすという課題に直面しています。部品を軽量化する方法である軽量化は、これらの課題に対処するための1つのソリューションです。

部品の軽量化は、車両や航空機の軽量化を意味し、燃料消費量の削減と排出量の削減につながります。金属の軽量化は、リードタイムが長く、複雑な形状を製造するための経済的に実行可能な方法がないため、従来の製造方法では実現が困難です。材料の浪費と工具費（射出成形の場合）が高いことも、法外な要因です。

3D印刷：金属製の軽量ソリューション

22を送信低軌道への航空機のペイロードのトンは 6200万ドルの費用がかかります — 3D Systemsが実施した調査によると、1キロあたり約3,000ドル。航空機の総重量から1キログラムを取り除くことはコスト削減につながるため、したがって、重量生産が重要な優先事項になります。同様に、部品が軽いほど、それを製造するために使用される材料が少なくなり、これもまた、製造コストを下げる。

3D印刷は、必要な場合にのみ材料を使用して、パーツをレイヤーごとに作成する製造技術です。従来の製造技術とは異なり、3D印刷は複雑さを資産に変え、軽量で複雑な金属部品をコスト効率よく製造する機会を生み出します。

軽量の金属部品を製造するためのより費用効果の高いオプションであることに加えて、3D印刷プロセスは通常、従来の製造プロセスよりも高速です。ツールレステクノロジーとして、積層造形はデジタルファイルから直接部品を作成し、製造プロセスを大幅に加速します。

通常、粉末床溶融プロセスは、より軽い金属部品を製造するために選択されます。レーザーの助けを借りて、金属粉末の層が一緒に融合され、幾何学的に複雑な軽量構造を製造することができます。

3D印刷で金属部品を軽量化するにはどうすればよいですか？

高度な設計ソフトウェアの使用
3D印刷を使用して軽量パーツを作成することに成功すると、常にデザインから始まります。 3D印刷によって提供される設計の自由度のおかげで、このテクノロジーは、ジェネレーティブデザイン、トポロジー最適化、格子構築ソフトウェアなどの高度な設計ソフトウェアとシームレスに組み合わせることができます。

高度なアルゴリズムを使用して、トポロジー最適化とジェネレーティブデザインツールは、部品の形状と材料分布を最適化するのに役立ちます。これらのツールは、一連のパラメータによって定義された場所で材料を追加または削除することにより、エンジニアが無限の設計オプションを探索し、特定の部品の可能な限り最高の軽量構造を見つけることを可能にします。

たとえば、ゼネラルモーターズはすでにこれらの高度な技術を使用して、1台あたりの平均軽量化が150kgを超える車両モデルを作成しています。

別の例では、GE Aircraft用にトポロジー的に最適化された3Dプリントチタンブラケットを使用して、驚異的な70％の軽量化を実現しました。 FrustumのGenerateトポロジ最適化ソフトウェアを使用して、エンジニアは、パフォーマンス要件を満たすためにブラケット内で最も効率的な材料分布を決定することができました。

設計の最適化は、部品点数も削減できることも意味します。複数の構造部品を1つにまとめることで、より軽量で効率的な部品を製造できます。エアバスはすでにA380航空機に3Dプリントされたチタンアクチュエータバルブブロックを装備しています。これは従来の製造品よりも35％軽量で、部品点数も少なくなっています。

内部格子構造を適用することは、金属部品の重量を減らすためのもう1つの設計アプローチです。非構造のソリッドメタルパーツは、格子構造で再設計するための理想的なユースケースであり、完全な機能を維持しながら軽量化を実現します。

強化された特性のための材料の使用
3D印刷用の新しい素材は絶えず進化しており、金属の軽量化で達成できることの限界をさらに押し広げています。 スカルマロイ は素晴らしい例です。APWorksによって開発されたScalmalloyは、アルミニウムの軽さとチタンのほぼ同じ比強度と延性を組み合わせた金属粉末合金です。 Scalmalloyの高い強度対重量比により、この材料は、軽量でありながら非常に強力な機能部品の製造に使用できる航空宇宙および自動車産業で特に求められています。

Metal Matrix Composites（MMC） また、金属の軽量化にも大きな期待が寄せられています。 MMCは、金属と別の金属またはセラミックと有機化合物で構成される複合材料です。 MMCは積層造形の新しい材料ですが、この技術は、高強度と剛性を備えたこれらの高性能軽量材料を使用して部品を製造するための新しい機会を提供する可能性があります。たとえば、Elementum3Dは、金属3D印刷専用の金属とセラミックの複合材料を開発しています。この材料は、航空宇宙や自動車のエンジン部品など、丈夫で軽量、耐熱性のある金属部品を製造することができます。

金属軽量化の価値の高まり

金属部品の3D印刷を成功させるには、金属AM技術と材料の可能性と限界。したがって、重要な課題は、設計に対する従来のアプローチを再考し、代わりに積層造形のニーズを念頭に置いて特別に設計することです。

金属の軽量化への探求が勢いを増すにつれて、高性能業界のメーカーは、部品の重量を最小限に抑えながら強度と性能を最大化するという競合する目標のバランスを取るという課題に直面しています。

3D印刷は、特に高度な設計ソフトウェアや材料と組み合わせると、これらの目標のバランスをとるのに理想的なソリューションを提供します。確かに、私たちは金属3D印刷で可能なことの表面を引っ掻き始めたばかりです。ただし、製造コストを削減しながら、より速いリードタイムで軽量部品を作成できる可能性があるため、メーカーは、より優れた、より軽量でより効率的な製品を市場に投入するメリットを享受できます。

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