少ないサポート
サステイナビリティのためのAM
2021年9月16日|閲覧時間:5分|執筆者Ho Kei-Leong
産業用3Dプリンティングとしても知られるアディティブ・マニュファクチャリング(AM)は、材料効率、エネルギー消費の削減、現地生産、カスタマイズと設計の最適化、リサイクル可能性、金型要件の削減などの点で、持続可能であると見なされることが多々あります。AMには本来、このような持続可能性の利点がある一方で、多くの課題も残されています。
DMLS("Direct Metal Laser Melting")の世界では、造形プロセス中のサポート構造の必要性は依然として最大の課題の一つです。高度な熱管理の助けを借りて、レーザー出力を調整することにより、サポート構造の削減を可能にすることができます。サポート構造は、金属層を適用する際に、はみ出したり入り組んだ形状が変形したり崩れたりするのを防ぐために不可欠です。サポート構造は、印刷プロセスを成功させるために重要である一方で、材料、後処理、エネルギー消費の増加という形で、非効率や無駄にもつながります。
こうした課題に対処するため、研究者やメーカーは、造形プロセス全体を最適化する、より効率的なサポート構造の開発に取り組んでいます。最も効率的で革新的なアプローチのひとつは、造形プロセス中の問題の特定と対処を支援するリアルタイム・モニタリング・コントロール・システムの導入であり、これによりリアルタイム調整のためのクローズド・ループ・システムを構築しています。
EOS Smart Fusion
EOSスマートフュージョンは、リアルタイムモニタリングと逐次対応のプロセス調整によって支援される閉ループフィードバック制御ソリューションで、最小限のサポートで部品の造形を支援します。EOSスマートフュージョンはインテリジェントな熱管理手法として開発され、最小限のサポートで部品の造形を可能にするよう製造者向けに調整されています。これにより、造形時間、後処理時間、材料の無駄が削減されます。高解像度の近赤外線カメラによるプロセス監視のためのハードウェアとソフトウェアの組み合わせによる光トモグラフィーに基づき、スマートフュージョンは個々の造形層のより正確な分析を容易にするために、リアルタイムでエネルギー入力を記録・測定します。
スマートフュージョン の前提をテストするために、当社の基準造形方法と、市場にある別のサードパーティ製ソフトウェアとの比較テストを行うため、私たちの研究パートナーであり、シンガポールを拠点とするA*STAR's Advanced Remanufacturing and Technology Center (ARTC)との共同研究が行われました。その目的は、実現された改善を定量化するための決定的なデータを提供することでした。持続可能性への影響を検証し、アディティブ・マニュファクチャリングが製造業の未来であるというレッテルを貼ることは、実証データによってのみ達成できるものです。
その方法論は、さまざまなサポートフリー造形ソフトウエアの技術探索と市場調査から始まります。この研究には、部品の造形には強力なサポート構造を必要とすることで知られているステンレス鋼316L材料が選ばれました*。その後、角度付き試験片と実証用のクローズドインペラーが製作され、寸法精度の定量化を含め、さまざまなアプローチで比較しました。インペラーは、オーバーハングの顕微鏡写真を撮影するために切断され、角度付き試験片は表面粗さと気孔率を評価するために切断されました。最後に、EOS Carbon Calculatorを使用して炭素排出量の比較分析を行い、異なるアプローチ間の違いを調べました。すべての結果は、以下の表と図に示されています。
| EOS スタンダード |
EOS Smart Fusion |
OEM ソフトウェアA |
|
|---|---|---|---|
| 角度付き試験片オーバーハング | xx | xxx | x |
| 寸法精度 | xx | xxx | x |
| 表面粗さ | xx | xxx | x |
| 気孔率# | xx | xxx | x |
| カーボンフットプリント | x | xxx | データなし |
| 造形時間 | x | xxx | xx |
| サポート ボリューム | x | xxx | xx |
EOS M 290 を基準機として、3つの異なるアプローチ(標準造形、スマートフュージョンを使用した標準造形、および市販のサポート削減サードパーティ製ソフトウェア(この研究では「ソフトウェアA」と呼ぶ)と統合した別のOEMマシン)を比較・評価しました。スマートフュージョン は、使用したサポート量において、市販のソフトウェアと従来造形のインペラの両方を上回り、初めて正しく部品を製造することに成功しました。
ソフトウェアAを使用した造形では、インペラの印刷に成功するまでに少なくとも4回の試行が必要でした。スマートフュージョンを使用すると、全体的な加工時間が大幅に短縮され、必要なサポート体積が最小限に抑えられ、寸法精度が向上しました(図X参照)。スマートフュージョンで造られた角度のついた試験片の比較では、表面粗さが改善され、気孔率が減少しました(図Y参照)。驚くべきことに、スマートフュージョンは、試験片のCADモデルに酷似した最も低い張り出し角度の造形も可能でした。
比較評価の結果、EOSスマートフュージョンの大きな利点が定量化され、強調されています。 従来の金属造形と比較すると、サポート体積は38%削減され、造形時間はなんと62%削減されました。その結果、各部品の製造コストは76%削減されます!さらに、スマートフュージョンは造形時のCO2排出量を62%削減(29から11kgCO2-eqへ)し、後処理時の排出量を84%削減(187から30kgCO2-eqへ)するなど、持続可能性とカーボンフットプリント削減の要請に応えています。
インテリジェントな熱管理により、スマートフュージョンは金属のAM残留応力を変更することが可能なソフトウェアを提供しています。材料ロスを最小限に抑え、処理時間を短縮することで、コスト削減を実現し、生産をより持続可能なものにすることができます。 当社の目標は、お客様やパートナーと協力してこのソリューションをテスト、実装、最適化し、AMの利点を十分に活用するための競争上の優位性を提供することです。
技術が進化し続け、導入が進むにつれ、EOSは持続可能性を第一に、市場のニーズに合わせた最先端のAMソリューションを開発し続け、製造業の未来を形成していきます。
もっと知りたいですか?EOSとスマートフュージョンがアディティブ・マニュファクチャリングを通じて持続可能な製造を実現するためにどのような力を提供できるかについて、詳細なディスカッションをご希望の方は、ご遠慮なくご連絡ください!
* ステンレス鋼316Lは現在、スマートフュージョンのテスト段階にあります。そのため、現在、標準化されたプロセスはありません。