積層造形における速度、精度、品質を向上させる方法
FAROテクノロジーズ、シニアフィールドアプリケーションエンジニア、ラファエル・ハスブン著
AM技術（アディティブ・マニュファクチャリング）とは、完全な製品を構築するために材料を層ごとに追加するプロセスであり、メーカーの時間と費用を削減します。 ですから、メーカーが新製品を設計および開発する際に予算と時間の制約を満たすのに苦労している中、積層造形市場が大幅に成長する余地があるのは必然です。
実際、Reportlinker.com による最近の報告によると、 「世界のAM技術（アディティブ・マニュファクチャリング）市場規模、シェア、業界動向分析レポート:プリンタータイプ別、技術別、コンポーネント別、用途別、材料別、業種別、地域別展望と予測(2022-2028年)」は、世界の積層造形市場は予測期間中に18.9%の複合年間成長率を示し、最終的には2028年までに446億ドルに達すると予測しており、現在の約140億ドルの規模から増加しています。 この成長は、積層造形プロセスを活用して部品のプロトタイピングを加速する自動車、航空宇宙、ヘルスケア市場の需要によって促進されると予想されます。
AM技術（アディティブ・マニュファクチャリング）とは何ですか?
通常、AM技術は、コンピュータ支援設計(CAD)ソフトウェアまたは3Dオブジェクトスキャナーと高度なソフトウェアに依存することで、ミリング、機械加工、彫刻、または成形によって材料を除去する従来のサブトラクティブ方法を使用してオブジェクトを作成するのではなく、3Dプリンターなどのハードウェアに、材料を層ごとに正確な幾何学的形状で堆積させてオブジェクトを作成します。 AM技術のプロセスにより、メーカーは部品を1つの部品として印刷できるため、材料の無駄を減らし、時間を節約し、部品のプロトタイピングやリバースエンジニアリングのコストを削減することが可能です。
AM技術における3Dレーザースキャナの役割
3Dレーザースキャナーは、製品開発プロセスをさらに加速するため、AM技術の最初のステップとしてより頻繁使用されるようになっています。3Dスキャナは、部品の作成に必要な測定値、特徴、詳細をわずか数分でスキャンできますが、ノギスや座標測定機(CMM)などの従来の測定方法では、部品の最も単純な物理的寸法のみを収集するのに数時間かかる場合があります。 そこから、詳細な3Dスキャンは高度なコンピューターソフトウェアプログラムに送信され、収集されたデータを使用して印刷用の仮想3Dモデルが作成されます。
3Dスキャナは、より高速で詳細な測定を提供するだけでなく、データの高解像度により精度が向上し、従来の測定方法に関連する人為的ミスのインスタンスを減らし、最初に作成された記事の品質管理を保証します。 3Dスキャンは、積層造形プロセスで作成された部品の故障を検査および診断するためにも使用できます。 3Dプリントされた部品は、使用予定の環境でストレス下でテストでき、これらのテストに続いて、3Dレーザースキャナーを使用して部品の変形や重大な故障点を見つけて診断し、製品の品質をさらに確保し、その後の製品の反復を迅速化することができます。
3Dスキャンは、従来のツールでは簡単に測定できないため、事前に形成された表面、複雑な曲率、またはテクスチャーのある表面仕上げを持つオブジェクトをキャプチャする場合にも、従来の測定方法よりも優れています。 3Dスキャンはリバースエンジニアリングの課題にも立ちはだかっており、自動車業界でカスタム部品や製造中止部品を作成するためによく採用されています。 AM技術用の物理オブジェクトをリバースエンジニアリングするには、部品の高さ、幅、深さ、直径、円周を正確に測定し、特定のフィーチャの半径やテクスチャなどの複雑な詳細を測定する必要があります。 3Dスキャンは、部品の表面、詳細、複雑な特徴に関連するすべてのデータを効率的かつ正確に取得し、正確で詳細なデータを積層造形のためにプリンターに送信できるようにします。
AM技術の課題を克服したスキャン技術の改善
AM技術のプロセスで3Dスキャンを使用することには多くの利点がありますが、大型部品や重量部品のスキャンなど、関連する課題がいくつかあります。 しかし、この問題を認識して、Quantum Max FaroArm® ポータブル座標測定機などのいくつかの新しい技術は、より大きな物体の上や周囲をよりよく伸ばすために、より快適な関節を提供するためにより大きなカバレッジを提供します。 あらゆるFaroArmで使用できるモジュラーコンポーネントであるFARO® 8軸Maxロータリーワークテーブルと組み合わせると、スキャンデバイスの再配置や再配置の必要性がほぼなくなります。 従来、技術者は一度に1つのセクションの大部分をスキャンしてから、スキャナーを次のセクションに移動する必要がありました。 この動きによりデータが不正確になる可能性がありますが、回転式ワークテーブルを使用すると、レイジースーザンのように回転するテーブルに部品を取り付けることができ、スキャナーを動かさずに部品をキャプチャできるため、エラーがなくなり、データの精度が向上します。
従来の3Dスキャナに関連するもう一つの課題は、暗い部分、光沢のある部分、反射する部分をスキャンするのが難しいことが多いことです。このような場合、技術者は通常、正確なスキャンを実現するために部品に粉末をスプレーしてマット仕上げを実現しますが、光学的に優れた青色レーザー技術の導入により、これは過去のものになる可能性があります。 FAROのQuantum Max ScanArmは、3つの専用のホットスワップ可能なレーザーラインプローブ(LLP)を備えた最先端のポータブル測定ツールで、ラピッドプロトタイピング、リバースエンジニアリング、自由曲面の3Dモデリングなどの機能を提供します。 青色レーザー技術は、暗い表面や反射する表面を含む困難な表面のスキャンを可能にし、プロセスを簡素化し、AM技術を適用する前にこれらのオブジェクトをスキャンする精度を高めます。
印刷用のスキャンを変換するために使用される複雑なソフトウェアは、添加剤メーカーにとって別の課題でしたが、今日では、最も洗練されたソフトウェアプログラムでさえ、よりユーザーフレンドリーになっています。 たとえば、FARO RevEng™ ソフトウェアを使用すると、ユーザーはメッシュをより正確にキャプチャし、より簡単に編集して、3Dプリント用のモデルを作成することができます。 また、このソフトウェアを3Dスキャン製品と組み合わせて使用することで、高解像度のカラー点群から単純なメッシュまでのデータを詳細なメッシュに変換できるため、デザインや構成に関する洞察が深まり、マテリアルとテクスチャを視覚的に区別することが可能になります。 直感的なユーザーインターフェイスにより、すべてのツールが1つの画面に視覚的に表示され、特定の設計要件を満たすための3Dオブジェクトの簡単な操作とカスタマイズが容易になり、AM技術の適用におけるリバースエンジニアリングのワークフロー生産性がさらに向上します。
すべてをまとめる
最近、自動車YouTuberでモータースポーツレーサーのAdam LZは、FAROおよびソフトウェアプロバイダーのOqtonと提携し、FAROの3Dスキャンテクノロジー、OqtonのGeomagic Design Xソフトウェア、およびAM技術を使用してレースカーのカスタムパーツを作成しました。 当初、車のダッシュにはナビゲーションコンソールが含まれていましたが、車両に不必要な重量が加わっていたため、取り外す必要がありました。 このプロジェクトの目標は、ナビゲーションシステムを取り外した後にダッシュボードに残ったポケットを適切に埋める、カスタマイズされた軽量パーツをすばやく作成することでした。
まず、ナビゲーションコンソールを含むダッシュボードを車両から取り外して8軸Maxに配置しましたが、サイズが大きいにもかかわらず、FARO ScanArmで簡単にスキャンすることができました。「ダッシュを8軸Maxに固定して回転させることで、ピースやスキャナーを操作したり動かしたりする必要がなくなったため、スキャンの作業が減り、精度が向上しました」と、FAROのシニアアプリケーションエンジニアであるウィル・ピタレロ氏は述べています。 「動きが少ないほど精度が高くなり、データ収集にエラーを引き起こす可能性のある変数が減少します。」
ダッシュボード全体をスキャンすることで、設計者はナビゲーションシステムが作品のどこにあるかを理解することができました。 この手順が完了すると、ナビゲーションコンソールが取り外され、コンソール自体の形状と、ダッシュボード内にしっかりと固定されている金属クリップがわかります。 ダッシュに残ったボイドの3回目のスキャンが行われ、取り付けポイントを含むボイドの下のジオメトリを理解し、新しく作成されたパーツがボイドに適合し、既存のマウントに適切に取り付けられるようにしました。 「ダッシュボード全体とナビゲーションコンソール自体、およびナビゲーションシステムを取り外したときに作成されたオープンポケットとその下のジオメトリをスキャンすることが重要でした。これにより、新しいカスタマイズされたパーツがその領域をカバーするだけでなく、既存の取り付けポイントに適切にクリップされるようになります。」と、Oqtonのアプリケーションエンジニアマネージャーのグレッグ・ジョージ氏は述べます。
次に、Geomagic Design X ソフトウェアを使用して 3 つのスキャンをまとめ、AM技術によって部品を非常に迅速に製造するために使用した 3D モデルを作成しました。 ボイドの形状、ダッシュボードの表面テクスチャ、取り付けポイント、その他必要なすべての機能を含むスキャンの精度と、AM技術の急速なペースのおかげで成功が達成され、元のダッシュの革のような表面テクスチャにマッチし、既存のクリップに取り付けられたフィット部品が翌日までに設計および製造されました。
「AM技術では、部品をすばやく作成でき、部品が利用可能になったら、それが適切なフィット感と適切な重量であるかどうかを判断できることは素晴らしいことです」とジョージは言います。 「そして、万が一、重すぎたり、正しくない場合は、これらの同じテクノロジーを使用してこれを非常に迅速に反復し、より適切または軽量の別の部品を同じくらい迅速に作成できます。」
今日の3Dレーザースキャン技術とユーザーフレンドリーなソフトウェアパッケージは、革新的なAM技術メーカーが生産部品の精度と品質を確保しながらワークフローをスピードアップし、これまで以上に収益性と効率を高めるのに役立つことは容易に理解できます。