自動金属積層造形におけるロボットと CNC

May 18, 2023

Rivelin Robotics、CTO、David Alatorre 著

金属積層造形の使用は製造業界に革命をもたらし、複雑で複雑な部品をより迅速かつコスト効率の高い方法で作成できるようになりました。 ただし、これらの部品の重要な後処理により、部品あたりの全体的なコストに時間と財務上の制約が生じ、AM の利点が完全に無効になる可能性があります。 サポートの除去は、金属 AM 部品の後処理の重要な最初のステップであり、困難なステップです。 現在でも、サポートは製造プロセス中の部品の忠実度に不可欠ですが、意図した形状、特徴、公差を備えた必要な最終製品を実現するには、サポートを除去する必要があります。

金属 AM の多くの用途では依然として手動によるサポートの除去が現状ですが、この記事では自動化されたサポートの除去 (および仕上げ) ソリューションへの移行について取り上げ、コンピューター数値制御 (CNC) システムを使用する利点と欠点と、汎用性と利点を検討します。ロボットの信頼性。

支持するか支持しないか？ AM におけるサポート削除の難問は、最終的にはいわゆるサポートフリー印刷によって解決されるだろうという議論があります。 もちろん、これが究極の目標であり、資源効率を最適化して完全な設計の自由を可能にし、原材料とエネルギーはサポートではなく最終部品の製造にのみ使用されます。

残念ながら、AM セクターはまだ存在しておらず、サポートは設計によって最小限に抑えられていますが、依然として、そして予見可能な将来においても、必要不可欠なものです。 サポートに使用される材料とエネルギーの量を最小限に抑えることは、ほぼすべての状況で正しいことですが、設計の自由度が損なわれ、たとえば設計が必要な最終用途部品の望ましい機能が損なわれる可能性もあります。空洞やオーバーハングが満たされていると、軽量性が失われます。 ジェネレーティブ デザインでは、サポートを減らすために必要な角度を得るために不必要に制約される場合もあります。

サポートの削減に重点を置くことも、プロセスの効率に影響を与える可能性があります。 たとえば、長いパーツは特定の向きで構築する必要があるため、ビルド プレートの多くを占める必要があり、相互接続する支持構造のために積み重ねたビルドが実用的でなくなる可能性があります。

つまり、サポートを減らすよう常に努力する必要がありますが、現時点では、サポートはほとんどの複雑な AM アプリケーションにとって依然として必要なツールです。

手動の後処理驚くべきことに、現在でも大多数の AM ユーザーにとって、手動によるサポートの削除が依然として選択されています。 従来のあらゆる種類の手動工具を使用してサポートを取り外すには、高度な訓練を受けた技術者が必要です。 ドレメルも役に立ちます。 試行錯誤されていますが、スキル、問題解決、創造性が必要です。 多品種少量生産環境に最適です。

ただし、手動によるサポートの取り外しは非常に時間と労力を要し、有毒な粉塵のため PPE またはシールドされた環境が必要になるため、煩雑です。 粉末の発火や爆発の危険性、反復疲労損傷がよくある問題です。 さらに、人によって、さらにはシフトごとにばらつきがあり、正確に再現できず、品質管理上の問題や廃棄率の増加を引き起こします。 AM 部品の需要が大幅に増加し始めた場合、規模を拡大することも困難になります。

オートメーション金属 AM 部品の後処理を自動化するソリューションにはある程度の進歩がありました。 最も一般的なのは CNC フライス盤の利用で、これは AM へのハイブリッド アプローチを含む、さまざまな製造アプリケーションで実証済みのテクノロジーです。 間違いなく正確で再現性があります。 ただし、一部の分野で一般的で実績があるからといって、それが常に最適なソリューションであるとは限りません。

CNC は、対象の部品の公差が厳しく、平面度、真円度、同心度、寸法が数ミクロン以内でなければならない場合にうまく機能します。 また、ジオメトリが単純であるか、いくつかの方向のみで簡単に固定できる大規模なバッチビルドでサポートを除去する場合にも推奨される技術です。 同様に、CNC EDM によるプラットフォームの取り外しがサポートの大部分を処理する印刷にも適しています。

ただし、CNC マシンは、薄肉コンポーネント、省スペースの積層構造、格子構造や分離サポートを備えた部品には適したソリューションではありません。 CNC プログラマーは、複合曲線を含む 1 回限りのジェネレーティブ デザインによる有機的な形状を好まないと言っても過言ではありません。

これにより、AM エコシステムにおけるサポートの削除を求める CNC に対する主張が明確になり、強化され始めます。

AM の主な推進要因の 1 つは、ユーザーがコンポーネントをあるバッチから次のバッチに反復、カスタマイズ、アップグレードできる設計の柔軟性です。 つまり、生産に AM を使用している企業が厳格な産業オートメーションに投資することはまれです。 設計の反復や変更は、新しいツール パスに対する新しい CNC 軌道を意味し、高いコストがかかります。 AM では、この設計の柔軟性を製造プロセス チェーンのすべてのステップに適用する必要があります。

問題は工具や治具でも同様です。 厳格な産業オートメーションに必要な高精度の治具は、長期にわたって設計に取り組む覚悟がなければ意味がありません。

そして、バッチ間の変動の問題もあります。 たとえ完璧な治具と完璧なツールパスがあったとしても、プリンターから直接得られる完全に予測可能なサポート面に依存するのは最良のアイデアではない可能性があります。 これは、AM がディフレクトをサポートすることが予想されるため、AM パーツはディフレクトをサポートする必要がないためです。 AM サポートは粉末ストックを最大限に活用するために薄く作られています。 コンポーネントには細い接続が行われ、表面の痕跡を最小限に抑え、足場を簡単に取り外すことができます。 材料の組成はバッチ間で変更されることもあります。これは、サポートの外観や動作がバッチごとに異なる場合があることを意味します。

ロボットしたがって、AM には、特にサポートと証人の削除について、変動に適応できる自動化が必要です。 そして、この課題は、システム エンジニアリング チーム全体を動員することなく、ツールパスとロボットの動作を生成するための高度なソフトウェアと人工知能システムを使用することで解決されました。 これにより、迅速な反復と小さなバッチの自動化が可能になります。

高精度の治具の代わりに 3D スキャンを使用して部品の位置を特定できるため、精度や設計の変更を気にすることなく、デスクトップ FDM プリンタを使用してプラスチック製の治具を迅速に作成できます。 さらに、力センサーを使用して表面を感じ、それに応じて加工を調整したり、最終形状に達するまで高い箇所に時間を費やしたり、一貫した仕上げに研磨したりすることができます。

大きな利点の 1 つは、サポートの取り外しと仕上げにあらゆるツールを使用できることです。 印刷された材料またはサポートの種類にどのツールが適しているかがすでにわかっている場合は、同じツールをロボットに取り付けて、より確実に自動化することができます。 今日のテクノロジーでは、新しいカスタム ツールを追加する手順は基本的に CNC マシンに新しいタイプのエンドミルを追加するようなもので、時間単位で料金を請求するシステム インテグレーターは必要ありません。

ロボットは、その速度、効率、柔軟性、精度、再現性、安全性、費用対効果、および持続可能性により、金属 AM 部品からサポートを自動除去するための CNC 機械と比較して優れたソリューションとして浮上しています。 このプロセスでロボットを使用すると、製品の完成度が向上するだけでなく、より安全で、より持続可能で、よりコスト効率の高いエンドツーエンドの製造プロセスが実現します。

部品の作成または変更を可能にする工作機械専用のマイクロプロセッサベースのコントローラ。 プログラムされた数値制御により、機械のサーボと主軸ドライブが作動し、さまざまな加工動作が制御されます。 DNC、直接数値制御を参照。 NC、数値制御。

部品の作成または変更を可能にする工作機械専用のマイクロプロセッサベースのコントローラ。 プログラムされた数値制御により、機械のサーボと主軸ドライブが作動し、さまざまな加工動作が制御されます。 DNC、直接数値制御を参照。 NC、数値制御。

誘電性流体中のワークピースと電極 (ツール) の間に流れるパルス電流の制御された印加によって、導電性材料を気化させるプロセス。 従来の機械加工で発生しがちな内部応力を発生させることなく、形状を高精度で加工することができます。 金型製作に便利です。

シャンクによって保持され、外周で切断するフライス カッター。そのように構成されている場合は自由端で切断します。 さまざまな形状 (シングルエンドとダブルエンド、ラフィング、ボールノーズ、カップエンド) とサイズ (スタブ、ミディアム、ロング、エクストラロング) があります。 本数違いのフルートも付属しております。

特定のワークピースを保持する装置。多くの場合社内で製造されます。 治具を参照してください。 モジュール式治具。

単一のアーバーに取り付けられた複数のカッターを使用した加工。通常は同時に切断します。

表面の仕上げに使用される軽量で研磨性の高い素材。

回転するカッターに力を加えて金属などを削り取る加工作業。 立型フライス加工では、切削工具が主軸に垂直に取り付けられます。 水平フライス加工では、切削工具はスピンドルまたはアーバーに直接水平に取り付けられます。 水平フライス加工は、さらに従来のフライス加工に分類されます。このフライス加工では、カッターが送り方向と反対に回転し、ワークピースに向かって「上向き」に回転します。 そして、カッターが送り方向に回転する上昇フライス加工、つまりワークピースに向かって「下降」します。 フライス加工には、平面または表面フライス加工、エンドミル加工、正面フライス加工、角度フライス加工、フォームフライス加工、およびプロファイリングが含まれます。

オペレーターが一連のコード化された数字と記号を入力することによって動作をプログラムできるようにする制御装置。 CNC、コンピュータ数値制御を参照。 DNC、直接数値制御。

製品の品質を監視するための正式なプログラムを表す用語。 意味は同じですが、QC は通常、より伝統的な加工後検査システムを意味し、QA は「総合品質」、広範な品質原則、統計的プロセス管理、およびその他の統計的手法に重点を置いた、より包括的なアプローチを意味します。

自動作動および自動操作装置に関する規律。 ロボットは、さまざまな刺激を評価して適切に反応しながら物理的オブジェクトを操作する能力など、人間の能力を模倣することがよくあります。 産業用ロボットを参照。 ロボット。