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【次世代製造現場】複合材料と金属の両方による3Dプリンティング

高強度複合材料3Dプリンティングおよび金属3Dプリンティングは、いずれも高い価値を発揮するパーツ製作法です。どちら単体で製造現場における幅広いユースケースに対応することができますが、両方のプリンターが相互に補強し合うことで、インテリジェントなソリューションが実現します。

この資料では、両プリンターの相補的なテクノロジーを活用して製造工程の迅速な改善を実現する、いくつかの方法を紹介します。

金属と高強度複合材料ーどちらを使うか?

Markforgedの複合材料プリンターでは、炭素、ファイバーグラス、Keclar®など独自の連続強化繊維を使用して、ABS樹脂に比べて23倍強度のパーツを造形できます。金属プリンターでは、ステンレス、スチール製パーツを造形します。どちらのプリンターも積層造形(Addtive Manufacturing、AM)テクノロジーを基盤に、製造工程のさまざまな環境に適したパーツを製作して提供します。それぞれの長所を知ることで、高強度3Dプリンティングの価値を製造現場で最大限に引き出すことができます。

求める質に合わせてパーツを最適化

金属パーツと高強度複合材料パーツでは材料の特性も大きく異なり、それぞれに適したアプリケーションがあります。

複雑な金属パーツ-3Dプリントした保持具へのニーズ

どのパーツも製造のためのデザインが必要ですが、金属3Dプリンティングでは機械加工では高価であったり製作自体不可能であったりするような形状のパーツも造形できます。プリンターで造形したパーツは、タッピングや研磨、機械加工など従来の金属加工法で後処理できます。しかし、複雑な金属パーツをデザインできるという自由度の高さゆえの新な問題が発生しました。—パーツの形状が複雑になるほど、標準的な工作物保持具で固定することが難しくなってしまいます。

複合材料3Dプリンターでは、機械に負荷をかけることなく対象の形状に合わせた高強度の工作物保持具を製作できます。高い負荷と加工油への耐性を有する治具や固定具を、低コストで造形できます。少数量の金属パーツの場合、金属パーツと高強度複合材料固定具の両方を造形することで、完璧なフィット性を確保しながら工作物保持具のデザインプロセスを簡素化できます。

タッピング固定具

3Dプリンターで造形した金属パーツをタッピングなどの後工程で処理する際に、同じく3Dプリンターで造形した複合材料の工作物保持具を使用することができます。
写真の金属パーツを保持しているのは複合材料製の固定具で、垂直方向に穴を固定することで用意なタッピングが可能です。優れた靭性を有する複合材料の固定具は、万力のつかむ力にも容易に耐えて金属パーツを保持します。

ユニークな形状のパーツを効果的に保持

金属でパーツを造形した場合、その金属パーツの保持具も複合材料で簡単に造形できます。金属3Dプリンターで造形したパーツ用に複合材料で固定具を製作することで、後工程のタッピングや機械加工、品質検査などにおける形状に合わせた工作物保持の問題を効率的に解消できます。

治具・工具のデザインプロセスを簡素化

3Dプリンターによって、機械加工よりも短時間かつより手軽に工作物保持具を製作できます。
①まず、使用しているプログラムで固定具のブランク形状をCADでデザインします。
②パーツをインポートして、向きを合わせ、ブーリアン差演算を実行します。
③後はプリントするだけです—プログラムや従来の生爪を使った機械加工などは不要です。

CNCフライス生爪
この事例では、金属3Dプリンターで製作したベアリングブロックの精度を高める機械加工の工程で、カスタム造形した工作物保持具を使用しています。
形状に合わせた複合材料の生爪が、金属パーツの複雑な輪郭に完全にフィットしています。この生爪は優れた靭性と耐薬品性を有し、加工工程で高い耐性を発揮します。

複合材料工具に差し込む金属パーツをプリント

通常、カスタム治具・工具の製作に要するコストは非常に高額になりますが、3Dプリンティングにより手頃なコストで製作することができます。
一般的に、治具・工具は最大限の性能を発揮できるように複数の材料で作られています。例えばハンマーであればヘッド部は硬い金属製であるのに対し、グリップ部は衝撃を吸収する軽量のファイバーグラスで作られています。金属と複合材料の両方の3Dプリンターを使うことで、柔軟に両方の材料の長所を活かして、卓越した機能性の工具を製作できます。

カスタムレンチ

複合材料製のグリップに金属3Dプリンターで造形したパーツを差し込んだこのレンチでは、硬度が高く耐摩耗性を有する部分は接触部に限定されています。
クリップ部は複合材料製のため、軽量でありながら人間工学的に優れたグリップ感を実現しています。材料を補強する連続ファイバーグラスによって、優れた耐久性と堅牢性で使用時のねじり荷重が分散されます。

複数の材料で造形したカスタム工具が多くのメリットを提供

①多様な金属パーツを差し込む事が可能なハンドル/マウント部を複合材料で1つ造形することで、幅広い工具をよりコンパクトなユニットにまとめることができます。

②摩耗する構成部品を交換可能にすることで、工具の耐久年数がさらに延びます。ハンドル部や接触部が摩滅した場合は、工具全体を交換するのではなく、対象のパーツをプリントして交換するだけです。

③金属の差し込みをハンドル部と分けることで、デザインを迅速に反復利用することができます。

治具・工具のニーズに合った最適な材料を使用

金属と複合材料の両方に共通する材料特性、それはどちらも高強度であるということです。それぞれの材料の他の特性を有効活用することで、高い硬度と耐摩耗性や優れた靭性と耐マーリング性などを備えた強力な治具・工具を造形できます。どちらの造形法も実行環境自体に大きな違いはありませんが、多様な材料特性を備えた幅広いパーツを製作できます。

ライン内での相互作陽

複合材料および金属3Dプリンターで造形したパーツは、工場の製造現場でさまざまなニーズを満たすことができるだけではなく、両方を組み合わせることで製造を支援することができます。この写真では、金属3Dプリンターで造形したエンドエフェクタが、製造工程でネジ状カップリングを保持しています。

複合材料でプリントした固定具が、ライン上のカップリングを捉えてそろえます。2つの3Dプリンティングテクノロジーが製造環境のスケールアップを合理化できることを示す、ほんの一例です。

製造現場の多様なニーズに応えるMarkforgedの3Dプリンター

17-4PHステンレススチールと工業用複合材料の2つの3Dプリンターを導入することで、治具・工具および固定具から少量エンドユースパーツや機能プロトタイプ(試作品)まで、幅広い範囲の要件とユースケースに適したパーツを3Dプリントできます。

Markforgedのプリンティングソフトウェアでは、1つのシンプルなインターフェースで全てのプリンターを実行できます。

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