高度なアディティブ・マニュファクチャリング・ソフトウェアで生産を最大化

新しいCAD/CAMプログラミングとシミュレーション・ソフトウェアがアディティブ・マニュファクチャリング・プロセスの課題をどう解決するか

製造の領域において、アディティブ・マニュファクチャリング（AM）プロセスはまだ「新参者」です。アディティブは数十年前から存在しますが、比較的最近まで、主に試作用途と短納期生産に限定されてきました。しかし、新しい金属アディティブ・プロセスにより、AMの可能性は劇的に拡大しました。GEやLockheedのような大手メーカーが航空機エンジン用の金属AM部品やその他のミッション・クリティカルなコンポーネントとアセンブリを製造するなど、単なる興味深い技術から、より現実的な生産プロセスへと進化し、主要メーカーにより広く採用されるようになりました。AMプロセスが普及するにつれ、新しいCAD/CAMプログラミング・ソフトウェアと関連シミュレーション・パッケージが、アディティブの積層プロセスの課題に対処し、ジェネレーティブ・デザインを備えたアディティブ・ワークフロー・ツール、より広範な3D可視化とトポロジー最適化技術を製造業者に提供しています。これらの新しいソフトウェア・パッケージの多くは、ハイブリッド・アディティブ/サブトラクティブ工作機械という新しいクラスへの対応も目指しています。

不可能を可能にする

新しいアディティブ・ソリューションの主要目標の一つは、大幅に改善された設計を生成することです。アディティブにおけるCAD/CAMプログラミングにより、製品開発エンジニアは、以前は製造不可能とされていた部品を設計しやすくなります。「Autodeskは、設計最適化からビルド準備、シミュレーション、後処理まで、アディティブ・マニュファクチャリングの完全なエンド・ツー・エンド・ワークフローを構築し、設計者とエンジニアが試作から量産へ移行できるよう支援しています」と、Autodesk Inc.（カリフォルニア州サンラファエル）のアディティブ・マニュファクチャリングと複合材担当ビジネス開発・戦略のDuann Scott氏。「ジェネレーティブ・デザインを追加し、設計者が従来のCADソフトウェアでは想像も実行も不可能だった方法で、AMの全ポテンシャルを探求し実現できるようにしています。」

AMの量産能力は重要な進展だとScott氏。「業界が新材料とプロセスで進化するにつれ、用途は小さく複雑またはカスタマイズされた部品から、低コスト機械と材料の市場参入により大型部品へと広がります」と氏。「ハードウェア・コストの劇的な低下を見てきました。主要特許の期限切れにより、まずポリマー分野でFDM（熱溶解積層）機械が4万ドルから400ドルに、次にSLA（光造形）機械が同様に3000ドルに、そしてSLS（選択的レーザー焼結）機械が15万ドルから1万ドルに低下。今、金属アディティブ・プロセスの新たな波が来ています。かつて単一機械のセットアップに100万ドルかかったものが、新しい機械なら約10万ドルで購入可能です。部品製造に必要な投資のこの大幅な削減が、現在比較的小さい市場を劇的に拡大するでしょう。」

AMプロセス向けソフトウェアにジェネレーティブ・デザイン機能を追加することは、設計者に大きな利点をもたらすとScott氏は主張します。「ジェネレーティブ・デザインにより、設計者とエンジニアは、設計制約と製造プロセスに基づいてソリューションを探求できます。これは従来のCADソフトウェアでは想像も実行も不可能でした」と氏。「単なるトポロジー最適化（既存形状からFEA（有限要素解析）ソルバーで質量を削減し単一の最適化設計を得る）以上のものです。ジェネレーティブ・デザインは、複数の目的と複数の製造プロセスに基づいて幾何学的ソリューションを創出し、複数の解を提供します。これらの解はさらに反復改良され、幾何学をさらに洗練でき、そのまま製造することも、設計者のアプローチを導くガイドとして使用することもできます。」

来年初め、Autodeskは現在ベータテスト中のNetfabb 2018アディティブ/3Dプリント・ソフトウェアの次期バージョンをリリース予定で、ジェネレーティブ・デザイン機能などの新機能が追加されます。「従来のサブトラクティブ・プロセスとアディティブ・マニュファクチャリングの共通点は、両方とも特定の機械と材料の組み合わせを深く理解し、設計エンジニアの要件を満たす最適な機械制御を創る必要があることです」とScott氏。「ほとんどの金属AM部品は、アセンブリで他部品とインターフェースする部分の表面品質と公差を確保するため、プリント後にサブトラクティブに機械加工されることが重要です。」Autodeskは、同じCADファイルをアディティブと必須のサブトラクティブ後処理の両方に使用できる完全なワークフローを提供すると氏。

「アディティブとサブトラクティブのような別々のプロセスを製造ワークフローで組み合わせるには、通常、異なる機械で複数のステップが必要です。これが正確で自動化されている必要があります。設計とエンジニアリングの意図から始まり、プロセスの各ステップで何が起こるべきかをシミュレートするデジタル・プロセス・スレッドがあり、元のデータを基に構築する必要があります」とScott氏。「また、検査と適応的またはフィードバック・ループを使用して現実世界での進捗を監視し、変動を検出して補正する必要もあります。これらのプロセスも連携させる必要があります。」

昨秋、Siemens PLM Software（テキサス州プラノ）は「NXによるアディティブ・マニュファクチャリング」ソリューションを発表。今年初めには、アディティブ・コンポーネントの買い手と売り手をマッチングするオンライン共同サービス「Siemens Part Manufacturing Platform」を追加。4月には、長年のアディティブ/3Dプリント・ソフトウェア・プロバイダーMaterialise NV（ベルギー・ルーヴェン）との広範な技術パートナーシップを発表し、Materialise Magics 3D Print Suite AMソフトウェアがSiemensのNXソフトウェアと完全統合されることになりました。この組み合わせは、Materialiseの専門知識とSiemens PLMのNXコアCAD/CAM/CAEの強み（シミュレーションベースの最適化ツールを含む広範な設計機能）を融合させると、Siemens PLMのシニア・ディレクター（マーケティング、製造エンジニアリング・ソフトウェア担当）Aaron Frankel氏。

Siemensのアディティブ戦略は、「NXによるアディティブ・マニュファクチャリング」から始まる3本柱で構成され、NXとTeamcenter PLMの提供が含まれると、Siemens PLMのバイス・プレジデント（製造エンジニアリング・グループ担当）Andreas Saar氏。「これがデジタル・チェーンであり、未来へ向けたコアです」とSaar氏。Siemensは3〜6ヶ月ごとにソフトウェア・アップデートをリリースし、EOS、Stratasys、DMG Mori、HPなど多くのアディティブ・プレーヤーと連携する新しいプリンター・インターフェースを提供すると氏。

「アディティブを産業フェーズへ前進させるのが狙いです」とSaar氏。MaterialiseをSiemensの大規模なNX産業用インストール・ベースに統合。例としてGEが航空機エンジン用大型ノズルの製造にアディティブを使用。「設計とシミュレーション・エンジニアの小グループ、おそらく20〜30人がこれを実現しましたが、設計エンジニアはおそらく4000人います。我々の目標はこれを大幅に拡大することです。GMには1万席の設計シートがあります。これらの人々がアディティブ・マニュファクチャリングを再考する必要があります。」

「市場では、中堅・大手企業がアディティブ・マニュファクチャリング・ワークグループを作り、技術を理解しようとしています」とFrankel氏。「学習曲線は大きいです。企業は様々な分散技術を試して何が機能するかを見ていますが、そのアドホックな環境はスケールしません。企業はエンド・ツー・エンド・ソリューションを必要とし、単一ソリューションでそのデータとプロセスを管理できる必要があります。」

ハイブリッド・アディティブ加工の台頭

多くの新しいCAD/CAMアディティブ・ソリューションは、DMG MoriやMazakなどの最新ハイブリッド・アディティブ/サブトラクティブ工作機械のプログラミングやシミュレーションに焦点を当てています。AMコンポーネントはニア・ネット・シェイプではなく、中程度から大幅な仕上げが必要なため、多くの工作機械ユーザーにとってハイブリッドは実用的なアプローチです。ハイブリッド機械は高価ですが、最近より手頃になりました。

Siemensの戦略は、特にDMG MoriやMazakなどのパートナーからのハイブリッド機械を含め、すべてのAM機械をサポートすることです。「直接エネルギー堆積、レーザー・ビーム溶接、粉末床溶融などの既存ソリューションをサポートしています」とSiemens PLMのFrankel氏。これらの中で最も一般的なのは粉末床溶融で、SiemensはHPの新しいMulti-Jet Fusionもサポート。これはノズル付き2Dプリンターを使用し、3Dボクセル技術で単色プリントですが、将来的に多色プリントも可能になるとSaar氏。「未来は非常にスケーラブルです。」

ハイブリッド機械は多くのCAD/CAM開発者にとって魅力的で、Vero Software（英国レディング）は、Edgecamや他のCAMソフトウェア向けに、来年4月頃を目処にハイブリッド・アディティブ加工モジュールをリリース予定だと、戦略製品ディレクターのRaf Lobato氏。直接エネルギー堆積、修復、フィーチャー成長、クラッディングがこのタイプのソフトウェアの焦点領域だと氏。「アディティブを最大限活用するには、単独では成立しません。『積層』領域は時にサブトラクティブで準備が必要で、材料追加後は通常サブトラクティブで仕上げる必要があります」とLobato氏。

多くのアディティブ・プロセスを洗練させるには更なる研究が必要だと氏。「実際、まだ効果的に材料を追加する方法がわかっていません」とLobato氏は直接エネルギー堆積を説明。「コンポーネントに材料を追加しても、完璧には出てきません。」堆積材料はニア・ネット・シェイプから程遠く、部品を完成させるにはサブトラクティブ仕上げ加工が必要。「朗報は、テストでこのプロセスで堆積したアディティブ材料が、ベース材料より硬いことが示されている点です。クラッディング・オペレーションでこれらの金属コンポーネントにほぼ100%高密度な金属が追加されます」とLobato氏。

一例として、航空機タービン・ブレードの修復では、ブレードの亀裂に金属を追加するだけでなく、部品からV字形の材料を切り出す必要がありました。「ここでもサブトラクティブ・オペレーションが必要であることがわかります」とLobato氏。サブトラクティブとアディティブの両プロセスが仕事を完了するために必要になることがあると同意。「それに、材料追加には非常に長い時間がかかります。」

技術改善（ソフトウェアとハードウェア両面）、速度、柔軟性、そしてもちろんコストがアディティブ成長の鍵だとLobato氏。「我々はKraken Project（https://krakenproject.eu/）に参加しています。これは、従来より高精度なロボットによる大型部品のアディティブ・マニュファクチャリングに関するものです。」

もう一つの新規参入は、CAD/CAM開発元DP Technology Corp.（カリフォルニア州カマリロ）で、8月に金属アディティブ・マニュファクチャリング向けEsprit Additive Softwareスイートを発表。このソフトウェアは、時間のかかるアディティブ・プログラミング・プロセスをわずか数ステップに簡素化するとされています。

「今日のCAD/CAMソフトウェアは、マルチタスキング、多機能、マルチチャネル、旋削フライス複合、アディティブとサブトラクティブ工作機械向けの強力なプログラミングを提供し、アディティブとサブトラクティブ・プロセスを単一のユーザーフレンドリーなインターフェースでプログラミング、最適化、シミュレーションできるべきです」と、DP Technologyのエグゼクティブ・バイス・プレジデント、Chuck Mathews氏。新Esprit Additiveモジュールは2018年半ばに提供予定。DP TechnologyはDMG MoriとMazakと強力なパートナーシップを持ち、モジュールはこれらの企業のハイブリッド機械ユーザー向けのアディティブ・プログラミングを提供します。

Creo 4.0では、PTC（マサチューセッツ州ニーダム）がアディティブ・マニュファクチャリング・プラットフォームをリリース。軽量構造のより良い設計と最適化機能、印刷する部品、位置、材料、色などを格納できる新しいアセンブリ・サブタイプの定義などが含まれると、Creo Manufacturing and Simulationアプリケーションのプロダクト・マネージャー、Jose Coronado氏。アディティブ・ソリューションには、3Dプリンターの能力について設計者に直接フィードバックする接続機能も含まれ、設計段階で考慮されます。

「Creoユーザーの高い割合が、現在アディティブ・マニュファクチャリングのパイロット・プロジェクトを実施中、または実施検討中と答えています」とCoronado氏。「また、顧客施設にある多くのプラスチック・プリンターが、試作業務から治具・固具の製造、または直接最終部品製造へシフトしています。このシフトを可能にした要因の一つは、Creoで利用可能になった新機能で、エンジニアが最適化されたラティスを設計し、Stratasysと3D Systemsのプラスチック・プリンターに直接接続できることです。」

「PTCのCreoロードマップには、更なるラティス・タイプ、B-Rep（境界表現）モデルへの統合されたトポロジー最適化、金属プリント・プロセスのサポートなどが含まれ、すべてCreoを離れることなく実現できます」と氏。「しかし、ユーザーは待つ必要はありません。PTCの現在のアディティブとサブトラクティブ機能は、CADモデルとシームレスに統合して共存しています。同じ3Dモデルを使用して、1つまたは複数の部品を印刷するトレイ・アセンブリを準備できます。その後、ドリル、面フライス、デバリングなどの後処理が必要な場合、同じ3Dモデルで対応するNCツールパスを作成できます。」

アディティブの早期パイオニアである3D Systems（サウスカロライナ州ロックヒル）も、昨年発表の3DXpert Metal Additive Manufacturingソフトウェアとともに、アディティブとサブトラクティブ製造の専門知識を提供すると、GibbsCAM 3D Systemsのプロダクト・マネージャー、Daniel Remenak氏。「3DXpertは、印刷準備、サポートと構造最適化、スライシング、後処理オペレーションまで、金属アディティブ・マニュファクチャリングのオールインワン・ソフトウェア・ソリューションで、高度な機能を備えています。」

Mastercam開発元のCNC Softwareはアディティブ専用モジュールをリリースしていませんが、「現在および技術拡大に伴い将来にわたって、顧客にとって最も有用なアディティブ・ソフトウェア・アプローチが何かを評価中です」と、CNC Software Inc.（コネチカット州トランド）のシニア・マーケット・アナリスト、Ben Mund氏。

「表面仕上げの初期課題は劇的に改善され、利用可能な材料も、高温・構造材料、柔軟性材料、複合材への更なる開発で拡大しています。これらの課題が改善されるにつれ、プロセスはより多くの場所で使用されるようになります」とMund氏。「より手頃な金属プリントも業界を前進させます。新タイプのより安価な基材注入金属でそれが起きています。」

「アディティブとサブトラクティブが協調して使用される場面も多々あります」と氏。「サブトラクティブ加工用のアディティブ治具製造から、仕上げ加工が必要なアディティブ部品作成まで多岐にわたります。もちろん、サブトラクティブでは不可能な部品では、アディティブが唯一の選択肢です。」

Open Mind Technologies USA Inc.（マサチューセッツ州ニーダム）、hyperMill CAD/CAMソフトウェア開発元では、hyperMill内のオプションとしてアディティブ専用モジュールを用いてAMプロセスをサポートする機能を持つと、マネージング・ディレクターのAlan Levine氏。Open Mindはアディティブ加工にほぼ10年間関わってきたとLevine氏。「我々の焦点は、レーザー・ベースの金属堆積プロセスのプログラミング・サポートです。この取り組みは高度な5軸焦点と一貫しており、顧客ベースからのフィードバックを含みます。今日、機械パートナーと主要エンドユーザーと共にプロジェクトに取り組み、新技術の実装と確認を行っています。我々のプロセスは、サブトラクティブ加工用パッケージであるhyperMillの継続的開発と整合しており、この作業は合理化され、現在のアプローチの中でエレガントに実行できます。」

現在、アディティブ粉末床機械が市場の大きなセグメントを占める可能性がありますが、Open Mindの焦点はレーザー堆積にあります。これは、新しい部品の製造（多くの場合5軸機械で）と、金型・ダイ、エネルギー分野でのメンテナンスと修理に適用されるとLevine氏。「レーザー堆積プロセスは一般的に、後で除去しなければならないオーバーハングを支える工程内サポート構造を必要としません」とLevine氏。「また、レーザー堆積はハイブリッド加工に適しています。」

約1年前、Open Mindはパートナーでありコンポーネント・モジュール開発元のMachineWorks（英国シェフィールド）からアディティブ向けの新しいシミュレーション・サポートを追加。「我々のアディティブ・プロセス向けソフトウェア開発は、主要ユーザーと機械パートナーとの経験と協力に基づいています。今日作られている様々な部品が、ソフトウェアとプロセス・ワークフローの改良につながっています。アディティブ処理の基本要件（充填と境界パス、開始点制御、レーザー・トリガーなど）はすでにソフトウェアに実装されています」とLevine氏。「衝突チェック手順も慎重な注意が必要です。ワークピース・モデルが常に成長し続けるため、堆積ヘッドは適切な粉末堆積のために特定の焦点距離を必要とします。」

NCとアディティブ・プロセスのシミュレーション

あらゆる製造プロセスと同様、金属切削と金属成形の動きを正確にシミュレートすることは、製造品質と工具、治具、工作機械の安全性を確保するために不可欠です。最近まで、AMプロセスを適切に可視化するシミュレーション・ソフトウェア・ソリューションは稀でした。

ピッツバーグのRapid/TCTショーで、最新のVericut Version 8.1 NCシミュレーション、検証、最適化ソフトウェアが、アディティブとハイブリッド製造オペレーションのシミュレーション新機能と、研削時の連続ドレッシング機能を導入したと、CGTech（カリフォルニア州アーバイン）のVericutプロダクト・マネージャー、Gene Granata氏。「これらの新手法は、フライス、旋削、5軸加工などの従来の切削手法と任意の順序で、ほぼあらゆるブランドのCNC工作機械で使用できます。新ソフトウェアには、ワークピースの断面表示、X-Caliper測定ツール、Forceツールパス最適化、製造プロセスを自動的に文書化するレポート設定の機能強化も含まれます。」

「アディティブ・マニュファクチャリングの魅力には、設計者とNCプログラマーにとって多くの独自の課題が伴います」と氏。「人々は、より優れた製品を可能な限り効率的に作るために、考え、設計し、部品をプログラミングする方法を再学習しています。Vericutのようなシミュレーション・ソフトウェアは、NCプログラマーが各プロセスを使用順序で可視化・検証し、製造戦略を比較し、機械、工具、製作中部品への高コストなクラッシュや損傷を防止するための貴重なツールです。」ハイブリッド機械は通常高価で、特定の企業では限られた台数しかないと氏。レーザーやその他のアディティブ機器の修理部品や技術者も見つけにくい場合があります。「シミュレーション・ソフトウェアは、潜在的な問題を事前に軽減する費用対効果の高い安全策を提供します。」

アディティブ・プロセスで製造される部品をプログラミングする新しい方法を見つけることは、NCプログラマーにとって新たな挑戦です。「アディティブ、サブトラクティブ、ハイブリッド手法を選択できるオプションがあることは、プログラマーを従来の『コンフォート・ゾーン』から押し出し、以前は不可能と考えられていたことを実行させることがよくあります」とGranata氏。「Design for Additive Manufacturing（DFAM）とアディティブNCプログラミング機能の新機能が、各新CAD/CAMリリースで登場しているようです。これらの強化はアディティブNCプログラマーにより多くの選択肢を提供する意図ですが、学習曲線も増大させます。どこに材料が堆積され、どこにされていないかを精神的に追跡するのは困難です。」

アディティブをあらゆる生産プロセスに組み込むことは、複数の問題を生じさせるとGranata氏。「NCオペレーションの計画とシーケンスのミスは、機械コンポーネント、アディティブ機器、または部品を損傷する可能性があります。シミュレーションは推測を排除し、リスクを最小化し、部品がどう作られるか、プロセス全体を通じた部品の正確な表現を示します。」Vericutアディティブ・モジュールは、ハイブリッド機械上で任意の順序で使用されるアディティブと従来の機械加工能力の両方をシミュレート。「すべてのオペレーションをシミュレートすることで、アディティブ手法の統合時に発生しうる潜在的問題を特定できます。ユーザーは、Vericutのリアルなドロレット技術に保存された詳細な『履歴』にアクセスでき、部品形状がいつ機械加工されたか、ほとんどの場合エラーの原因を、マウス・クリック1回で特定できます。」

このアディティブ機能は、正確なレーザー・クラッディングと材料堆積をチェックし、機械とアディティブ部品の衝突を検出し、エラー、空洞、間違った位置の材料を発見するとGranata氏。「最高精度のため、VericutはCNC工作機械を駆動するのと同じポスト処理済みNCコードをシミュレートし、AM機能とレーザー・パラメータの適切な使用を保証します。ユーザーは、アディティブと金属除去プロセスを任意の順序で仮想的に組み合わせ、最適で安全なハイブリッド製造方法を決定できます。」