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工作機械のサプライチェーンの問題を解決するための協力チーム:3Dプリントが最初の選択肢かもしれません

Posted by: Fymicohuang 2021-11-17 工作機械のサプライチェーンの問題を解決するための協力チーム:3Dプリントが最初の選択肢かもしれません はコメントを受け付けていません

オークリッジ国立研究所の協力チームが工作機械のサプライチェーンの問題を解決しました。 最初のステップ:最大の鋳造物を3Dプリントします。

遠隔地の研究所では、公的企業と民間企業を代表する科学者とエンジニアが、アメリカの製造業の支配を回復し、安定させるために取り組んでいます。目的は、米国のサプライチェーンの問題を解決することではなく、既存の国内工作機械業界の問題の発見をスピードアップすることです。言い換えれば、競争上の優位性を取り戻すために今必要なツールとテクノロジーを使用してください。

オペレーションの中心は、テネシー州のオークリッジ国立研究所(ORNL)にあります。これは、米国エネルギー省(DOE)が後援する連邦政府の資金による科学技術研究開発センターです。 ORNLグリーンキャンパスから約10マイル離れたところに、DOEの製造デモンストレーション施設があります。これは、「初期のR&D製造技術を迅速にデモンストレーションし、主要なプロセスを最適化する」ように設計された大規模なオープン施設です。

最近、米国の既存のCNC工作機械ベースのスループットを向上させることを目的としたORNLを通じて推進された計画の報告があります。ただし、ORNLの製造デモンストレーション施設の科学者が開発しようとしているコアテクノロジーは、積層造形(AM)です。

出版物とアディティブマニュファクチャリングジャーナルの両方が、CNC機械加工とアディティブマニュファクチャリングがますます統合されるようになっていることについて広範囲に書いています。最も一般的なのは、3D印刷ツールを使用して、納期を大幅に短縮し、コストを削減することです。特に、少量生産の高価値部品の場合はそうです。ただし、オークリッジの科学者による最新の実験の目標は、3Dプリントされたジグや備品よりもはるかに高いものです。

その目標は何ですか? 3Dプリンターベッド自体、または少なくともその最大のコンポーネント。

オークリッジ国立研究所プロジェクト

シンシナティBAAMマシンの内部に立っている、オークリッジ国立研究所の3Dプリンターベッドのベースモールドの隣。画像出典:オークリッジ国立研究所

ルールを破らないでください

ACEは、米国の「最前線」プログラムの略で、DOEとDODの産業ファンダメンタル分析および持続可能性プログラム間の新しいコラボレーションを表しています。 ACEは、過去数十年にわたる米国の工作機械の能力の低下に対する集合的な対応である一連のプロジェクトで構成されており、国防総省はこの現象を国家安全保障への脅威と見なしています。減少の理由は、世界の工作機械市場における米国のシェアの低下(1998年の23.2%から2010年の6.2%)と、米国の工作機械への輸入支出の差(2018年には86億ドル)です。 )および輸出販売。 (420万米ドル)。

テネシー大学ノックスビル校の教授でORNLの共同教員であるトニー・シュミッツ氏によると、ACEプログラムが開始されたとき、いくつかの業界パートナーが次のように述べています。 、Advanced Composite Manufacturing Innovative Companyとテネシー大学ノックスビル校は、オークリッジ大判ポリマー印刷を使用してコンクリート機械工具の基本的な金型を製造するというアイデアについて共同で話し合いました。

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理由は単純です。ほとんどの工作機械には鋳造部品があり、これらのニーズを満たす米国の鋳造インフラストラクチャはここ数​​十年で急激に低下しています。シュミッツ氏によると、たとえば、1987年には米国に774の鋳鉄施設があったという。近年、この数は半分以下、つまり330にまで減少しています。シュミッツ氏によると、これらの残りの施設の多くには、大型工作機械用の鋳造品を製造するための規模と規模がありません。その結果、大規模な機械鋳造の外国の供給源への大規模なシフトが発生します。

ACEチームは、工作機械インフラストラクチャの再配置により、米国経済と製造労働力の成長、国防総省の支援、および大規模な鋳造メーカーと工作機械OEM。大判ポリマー3D印刷におけるオークリッジの経験に基づいて、コンクリートで満たされた3D印刷されたポリマー金型は、従来の金属鋳造よりも優れた代替手段を提供できると考えています。

チームが構築しているマシンは、実際にはハイブリッドツールであり、3軸垂直CNCマシニングセンターとアーク3Dプリンターを組み合わせたものであり、そのワークロードにより、一般的なVMCの中規模の範囲内に収まることができます。ただし、マシンベースに使用される3D印刷モールドは非常に大きく、156インチx78インチx96インチで、すべてシンシナティのBAAMシステムを使用してオークリッジで印刷され、20%の炭素繊維ABS粒子を使用して溶融および押し出し、多層に堆積します。 。計算された壁の厚さは、次に導入される圧力、つまり15,000ポンドの注入されたコンクリートに耐えることができます。

カスタム補強構造は、3Dプリントされた金型で下げられました。コンクリートの注入が始まる前に、センサーは棒鋼に固定されます。

(ここでの「金型」という用語の使用に関する注意:ORNLでハイブリッドマシンを構築したエンジニアは、3D印刷構造を所定の位置に維持することを決定しました。これにより、コンポーネントは金型よりもシェルになりました。シェルをそのままにしておく必要はまったくありません。この場合、「カビ」という用語の方が適切です。)

9月、ORNLはコンクリートを型に流し込みました。金型が外側に配置されると、チームはプレハブの鉄骨構造をその内部寸法に合うように下げました。この強化された構造は、強度を高めるだけでなく、温度記録計や3軸加速度計などの複数のセンシングユニットの一時的な領域としても機能します。

コンクリートが30分以内に空洞を満たすと、ベースに複数のセンサーが埋​​め込まれ、機械の外部にあるワイヤーフィーダーからアクセスできます。エンジニアは、金型内の予想圧力が3.8メガパスカルであると計算したとき、垂直方向の16.4メガパスカルの降伏強度に耐えるように構造を設計し、印刷物の層方向が設計の最低強度を表しています。

注いだ後、硬化が進むにつれて装置はまだ外にあります。センサーは、150°Fまでの内部温度の上昇を追跡しました(この温度は、テネシー州の夏の暑さによるものではなく、コンクリートが固化し始めるときの発熱反応によるものです)。カビは次の20日間外にとどまりました。

コンクリートが完全に硬化すると、ユニット全体が90度回転し、製造実演施設に運ばれます。次の一連のテストでは、コンクリートベースが埋め込まれた加速度計を利用します。

エンジニアは、コントローラーを設置する前に、機械のワークベンチが配置されている領域で衝撃試験を実施して、構造ダイナミクスを測定しました。その後、機械の運転が終了すると、これらの固有振動数、モード剛性値、および減衰比が機械の性能に影響を与え、埋め込まれたセンサーが機械の振動を監視し、全体的な速度と送りの選択を通知します。しかし、次のステップ(近日公開)は、溶接トーチ(オンラインアークAMプロセスで使用される)とミリングスピンドルを取り付けることです。

これがすべて行われ、システムがCNCと統合されたとき、月は着陸しました。

ただし、従来のマシンベースと3Dプリント/コンクリートマシンベースの間の少なくとも1つのシャープなコントラストが決定されています。コンクリートのコストは、1立方ヤードあたり約100ドル、つまり1ポンドあたり2.5セントです。シュミッツ氏によると、鋳鉄のコストは常に部品のサイズ、複雑さ、品質の変動率に依存しますが、アジアから米国に出荷される鋳造品の一般的なコストは1ポンドあたり75セントから2.50ドルです。 3Dプリント金型材料のコストは1ポンドあたり6ドルで、材料を再利用およびリサイクルする機能があります。それでも3D印刷の型とコンクリートを使用して、多くのコストを節約できます。これらの考慮事項はすべて、ACEチームがプロジェクトに対して想定した全体的なメリットの一部です。

シュミッツ氏は、「私たちは、通常IMTSと連携している製造デモンストレーション施設で月面着陸計画を実行しようとしています」と述べています。 「その役割は、業界と協力して働く研究者の思考と想像力を実際に広げて、限界と見なされるものを超えることができるかどうかを理解することです。これは、この種のことの一例にすぎません。」

ORNLの製造システム研究チームのリーダーであるDr.Lonnie Loveは、次のように述べています。 「このプロジェクトでは、新しい材料、新しいプロセス、新しい管理手段を開発しました。最終的には、すべての問題を解決したわけではありません。しかし、理解する必要のある実際の問題の特定がスピードアップします。 。」

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