技術の概要:金属 3D プリントを実際に使用する必要がある場合

金属積層造形は、その誕生以来、その型破りなボトムアップアプローチと、その能力をめぐる話題で、エンジニアや技術愛好家の注目を集めてきました。何年にもわたってサブトラクティブプロセスで確実に製造されてきた部品にアディティブマニュファクチャリングを使用することは本当に有利でしょうか?この記事では、この質問について説明し、金属 3D プリントが部品の製造に適している場合とそうでない場合を指摘します。

金属 3D プリント (DMLS):プロセスの概要

CNC 機械加工などの従来の製造技術は、通常、製品を成形するために材料を除去するサブトラクティブプロセスですが、金属 3D プリント技術はアディティブです。最も一般的で人気のある金属 3D 印刷技術の 1 つは、直接金属レーザー焼結 (DMLS) です。

典型的な DMLS プロセスは、3D 設計 CAD ファイルデータを非常に薄いレイヤーにスライスすることから始まり、各レイヤーの 2D モデルを効果的に生成します。

このマシンは、高出力の光学レーザーを使用しています。ビルドチャンバーエリア内には、材料ディスペンシングプラットフォームとビルドプラットフォームがあり、ビルドプラットフォーム上で新しい粉末を移動させるために使用されるローラーがあります。この技術は、集束されたレーザービームを使用して金属粉末を局所的に溶融することにより、金属粉末を固体部品に融合します。パーツはレイヤーごとに追加的に構築されます。

金属 3D プリントを選択するケース

金属 3D プリントには、従来の機械加工にはない独自の利点があります。ここでは、CNC 加工ではなく金属 3D プリントを検討する価値があるいくつかのケースを挙げました。

あなたのデザインは複雑です

設計の複雑さと自由度に関して言えば、金属 3D プリントは従来のものよりもはるかに優れています。多くの複雑なデザインは、従来の技術では 3D 印刷のように簡単に製造することはできません。以下の例を見てください

この種の複雑な設計は、5 軸 CNC マシンを使用したとしても、従来の技術では加工が非常に難しい場合があります。

ここでのもう 1 つの利点は、複雑さのコストが低いことです。従来の製造方法で複雑な機械部品を作成するには、特に複雑な部品の組み立てには精度とスキルが必要です。つまり、複雑になるほど価格が高くなります。組み立てる前に各コンポーネントを作成するのではなく、1 つのプロセスで全体を作成する 3D プリントには当てはまりません。したがって、複雑さによる追加コストはありません。

金属プロトタイプが緊急に必要です

必要な部品の数が少ない場合、たとえば 1 ～ 5 程度、またはプロトタイプの場合は、金属 AM の方がはるかに有利です。追加ユニットごとのコストはほぼ同じなので、必要なだけの変更をパーツに加えることができます。プロトタイプ作成に使用できます。3D プリントを使用してプロトタイプを作成し、必要な機能が満たされるまでプロトタイプを更新します。これは、製品を大量生産する前の重要なステップです。また、製造プロセスの残りの部分で使用して、お客様のニーズにより即応できるユニークな作品を作成することもできます。

また、CNC 機械加工部品ではなく、金属 3D プリントを取得する方が高速になる可能性があります。通常、CNC 加工では、材料のストック、機械のセットアップ、適切な工具の入手に時間がかかります。その結果、最初のパーツが手元に届くまでに数週間かかる場合があります。 3D プリントの場合、従来のものよりも複雑な DMLS の場合でも、パーツをオンデマンドでプリントして、立ち上げや工具を使用せずに出荷できるため、従来の技術と比較してリードタイムが短縮されます。短縮されたリードタイムとより効率的なプロトタイピングプロセスの組み合わせにより、ターンアラウンドタイムが短縮されます。これは、金属 3D プリントの最大の利点の 1 つです。

軽量で耐久性のあるコンポーネントが必要

航空宇宙および医療産業では、軽量でありながら耐久性のある部品が当然必要とされます。インコネル 718、AlSi10Mg、コバルトクロムなどの超合金は、従来の機械加工品に比べて軽量であることが知られています。これらの合金で部品を製造すると、当然、比較的軽量になります。一例として、GE の有名な 3D プリント製燃料ノズル LEAP ファミリーエンジンは、以前は独立したサプライヤーから提供された 20 個の個別部品から製造されていましたが、ダイレクトメタルレーザー焼結 (DMLS) を使用することで、25% 軽量化された一体型コンポーネントが実現しました。オリジナルパーツの5倍の強度。詳細については、ここをクリックしてください。

材料の無駄遣いを避けたい

従来の CNC 機械加工では、リサイクルが必要な切りくずや小さな金属片が残るのに対し、3D プリントは、消費される唯一の材料がレーザーの下 (または押出機などを通過するもの) であるため、非常に資源効率が良いです。製造業者が設定コストを正当化するために特定の製品をできるだけ多く生産する必要がないという事実も、無駄を減らします。

金属 3D プリントを選択するデメリット

金属 3D プリンティングが従来の技術よりも優れている点とは別に、後者を推奨するいくつかの考慮事項があります。

ザラザラした表面仕上げ

3D プリントは付加的なプロセスです。つまり、表面は CNC 機械加工のように滑らかではなく、目的の表面テクスチャを簡単に作成することはできません。したがって、表面の質感が重要な場合は、代わりに CNC 機械加工を検討する必要があります。それにもかかわらず、サポート構造を取り除き、仕上げを強化し、美観を改善するために利用できる多くの後処理技術があり、それに応じてコストも増加します.

強度の低いパーツ

アディティブテクノロジー自体が原因で、金属 3D プリントパーツは、ソリッドメタルブロックから機械加工されたパーツほどの強度にはなりません。最終的な強度は、デザイン、サイズ、および材料によって異なりますが、一般的に金属 3D プリントの圧縮強度は、CNC 機械加工部品よりも平均で 40 ～ 50% 低くなります。

高価な連続生産

CNC加工による大量生産は安価になります。大量生産は、業界全体で依然として大きな決定要因であり、これは 3D プリントが遅れをとっており、3D プリンターがオブジェクトを組み立てる速度は、従来の組み立てラインと比較して見劣りすることがよくあります。

限定ビルドボリューム

大きな部品サイズが必要な場合は、常に CNC 加工を使用することをお勧めします。たとえば、DMLS で達成できる最大部品サイズは 250 x 250 x 325 mm で、CNC 加工では 2000 x 800 x 1000 mm です。サイズの比較は、粉末ベッドのサイズが限られているため、3D プリントで巨大な部品を製造できないことを明確に示しています。

限られた素材の選択

射出成形や CNC 機械加工などの従来の製造オプションでは、さまざまな材料を選択できます。金属 3D プリントに関しては、材料の選択肢が少なく、必要な部品に特定の材料が必要な場合に制限要因になる可能性があり、製品に必要な技術的特性を決定する際に考慮する必要があります。現在 Xometry では、DMLS をサポートする 5 つの金属/合金粉末を用意していますが、必要な部品に他の材料が必要な場合、従来の機械加工プロセス以外に選択肢はありません。

まとめ

金属 3D プリンティングは、従来の製造技術にすべての面で取って代わるとは言えません。これらには、光る長所と光らない短所があります。以下は、両方のテクノロジーの強みを簡単にまとめたものです。

金属 3D プリント	CNC 加工
迅速な対応	大量生産
試作と少量生産	固体表面構造
複雑な設計の容易さ	3D プリントでは利用できない材料の使用と技術的特性の必要性
廃棄物の削減	大型パーツ
カスタマイズと適応性	強力なパーツ