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積層造形技術レーザーメタルフュージョンの利点、仕組みとアプリケーション

レーザーメタルフュージョン (LMF、粉末床レーザー溶融) は積層造形法の一種であり、加工品が粉末床で一層毎に造形されます。その工程では、部品のCAD設計データに従ってレーザーが金属粉末を的確な箇所で溶融して、材料層に作り変えます。そのため、この製法は金属3Dプリントもしくは3D金属プリントと呼ばれることが多く、業界ではレーザー焼結並びにレーザー溶融という用語も広く使用されています。この製法は、旋盤加工や切削加工などの従来の製法では製造不可能であるか、製造能率が低くなってしまうような、形状が複雑で、精緻な内部ダクトや空洞部を有するパーツの連続生産に最適です。産業用3Dプリントでは安定性が高いと同時に軽量な部品が生み出されるため、軽量構造並びに個人に合わせたインプラントやプロテーゼに特に有益です。更にレーザーメタルフュージョンは持続可能な製法でもあります。切削工法とは異なり切屑が発生しないため、材料の無駄遣いがほとんどありません。TRUMPFは積層造形での約20年に及ぶ経験を活かして、機械、サービスとデジタル化から成るレーザーメタルフュージョン用のフルパッケージを産業用途に適したレベルで一手に提供しています。当社の提供製品・サービスは部品の定義から完成品、そしてその先に至るまで、プロセスチェーン全体をカバーしています。

機能統合

レーザーメタルフュージョンでは、ユーザーは直接3D CADモデルから柔軟な又は回転可能な構造などの機能性部品を製造することができます。

輪郭近くの冷却装置

レーザーメタルフュージョンでは、輪郭近くに冷却装置を有する部品を製造することができます。この冷却装置を介して、熱が直接その発生箇所から放出されます。

グリッド構造

積層造形では、配列が複雑な精緻な構造を形成することができます。

積層造形でのデザイン

自由なデザイン: 従来の製造方法とは異なり、3D金属プリントでは設計が部品製造での決定的な要素です。

生産性

3D金属プリントではセットアップ時間がほとんど発生しません。オプションのマルチレーザーと自動化コンポーネントを利用することで、生産効率が更に高まります。

効率

TRUMPFの工業用部品/粉末ハンドリングにより、生産現場での経済性が向上します。

清潔

粉末がクローズループ式に循環するため、清潔で安全な生産環境が実現します。

レーザーメタルフュージョン工程の簡単な説明

レーザーメタルフュージョンでは最初に、部品のバーチャル3Dモデルが用意されます。データ処理中に、設計データが機械で読み取り可能なビルドジョブファイルに変換されます。その際、部品が基板プレート上に配置され、必要に応じてサポート構造が取り付けられます。部品はプリント工程用に単層に切り分けられ (「スライス」)、それに対応するレーザー軌道が定義されます (「ハッチ」)。加工品は最終的に、不活性ガスが注入されたプロセスチャンバーの基板プレート上で一層毎に造形されます。チャンバー内には、貯蔵/造形/オーバーフローシリンダーが一軸上に隣り合った状態で立っています。リコーターが粉末を貯蔵シリンダーから造形シリンダーに押し込みます (1)。そしてレーザーがパーツの輪郭通りに最初の粉末層を溶融し、その層がその下にある層と材質結合されます (2)。次に、造形シリンダーが一層分沈み込みます (3)。これは言うなれば、部品が粉末床の中に造形されていくようなものです。余分な粉末はオーバーフローシリンダーに送り込まれます。部品が完全に造形されるまで、この工程が何度も繰り返されます。生産性の向上を目的として、TRUMPFはシステムに同時に動作する複数のレーザーを搭載しています。これはマルチレーザー原理と呼ばれています。最後に、完成品に付着している金属粉末が取り出しステーションで取り除かれます。そして部品がプレートから外され、存在している場合にはサポート構造も取り除かれ、必要に応じて加工品の後処理が行われます。

機能図に基づいたレーザーメタルフュージョン (レーザー焼結) の機能原理の説明。

金属3Dプリントの機能原理の簡単な説明です。


この技術自体と同じく多様なアプリケーションと使用領域

積層造形で個人に合わせて製造されたチタン製頭蓋骨インプラント

頭蓋骨インプラント

レーザーメタルフュージョンは医療用機器とインプラントの製造に対する高い品質/安全要件を満たしています。例示されているカスタマイズ型チタン製頭蓋骨インプラントは約5,000層から構成されており、その製造時間は8時間45分でした。

Lightweight design of a mounting bracket generated with a TruPrint 1000

取付ブラケット

宇宙航空産業では、軽量構造と同時にパーツ内部の良好な力の流れが極めて重要です。レーザーメタルフュージョンでは、このトポロジー最適化デザインと呼ばれる構造を簡単に製造することができます。その具体的な例として表示されているこの航空機ドア用取付ブラケットは約2,700層から構成されており、その造形時間は8時間以下でした。

TRUMPFのTruPrintマシンでの積層造形による油圧ブロック

油圧ブロック

表示されている油圧ブロックは制御バルブと油圧シリンダー間の連結装置として使用されます。このブロックをレーザーメタルフュージョンで製造することで、総体積の80 %減、圧力損失の93 %減が機能を全く失うことなく実現します。造形はサポート構造なしで行われ、11時間で完了しました。

ランナー

従来の製法であれば、このランナーの製造には5個の単部品が必要になってしまいます。レーザーメタルフュージョンでは、最終形態を直接製造することができます。またこの製法では、輪郭に近い複雑な温度調節ダクトの造形も簡単に実現します。それに加えてユーザーには、サイクルタイムの短縮、熱安定性の高い生産プロセスと極めて低い不良品率というメリットがもたらされます。表示されているランナーの製造時間は70時間以下でした。

アクスルキャリア

自動車業界では、複雑で機能性の高い試作品をレーザーメタルフュージョンで金型なしで素早く製造することができます。表示されているデザインとトポロジが最適化されたアクスルキャリアの積層造形に要した時間は5時間でした。

Dental product produced with the TruPrint 1000

義歯床

積層造形が持つ多くのメリットは歯科業界にももたらされています。生体適合材料を使用して、あらゆる複雑な形状を一層毎に極めて精密に記録的な速度で造形することができます。表示されている義歯床と歯冠は約1,200層から構成されており、その製造時間は6時間以内でした。

R&D分野での部品

アプリケーション開発又はパラメータ開発では、図示されているビルドジョブが使用されます。ここでは、長い棒が基板プレートから切断された後に引張試験片に加工されます。これを使用して、部品の強度と成形性を検査することができます。切断と研削後、顕微鏡を使用してその他の立方体部品で細かい欠陥の有無を検査します。どちらの場合でも、部品の品質保証が目的です。

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レーザーメタルフュージョンに適した製品

Laser Metal Fusion (レーザ金属溶融、LMF)

頻繁に金属3Dプリント、パウダーベッドフュージョン又は選択的レーザー溶融とも呼ばれるレーザーメタルフュージョンでは、 レーザーが粉末床から加工品を一層毎に作り上げます。その設計図はCADモデルに基づいており、 金型は必要ありません。粉末が製造プラットフォームに敷き詰められ、 レーザー光線が粉末をCADデータに従って正確に溶融し、指定された箇所をその下にある層と結合します。レーザーはこの工程を金属部品が完成するまで何度も繰り返します。加工品は粉末として使用された材料の特性を帯びます。鋼、アルミニウムやチタンなど、多くの種類の金属材料を粉末にして使用することができます。

レーザーメタルフュージョンによる部品製造

粉末床レーザ溶融の利点

従来の製法を補完する工法としてのLMF技術には一連の利点があります。デザインの自由度の面で制限はほとんどありません。そのため、手間のかかる形状やカスタマイズした部品を迅速かつ自由自在に、しかも低費用で実現することができます。LMFは従来の製法では限界となっていた領域にソリューションを提供し、ロット数が極めて少ない場合でも経済的な生産を可能にします。

Radial turbine blower built with TruPrint 3000 (LMF)

使用領域

このプロセスで製造される部品は、難度の高い加工作業での極めて高い材料要件を満たしています。安定性と軽量性が得られるこのプロセスは、航空産業、自動車製造や医療技術分野などで使用される軽量構造や生体的構造にとって特に有益です。

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