星期一, 5月 16

    精密金属3D打印机「OPM系列」和可支持物联 网的下一代模具成形自动生产系统ICF-V最新技术

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    ■Sodick/营业推进部

    前言
    现在,3D数据的使用已经成为包括制造业在内的随处可见的工具。3D数据除了具有优越的可视性,还可以通过模拟使无需试做成为可能。将来,制造方法会以3D为基础这点是毫无疑问的。然而,在日本的制造现场,3D数据还远没有被充分使用。

    我司综合主力产品比如线性马达驱动放电加工机、高速铣削加工中心、通过电子束改良金属表面的装置、CAD・CAM等核心技术,开发了精密金属3D打印机「OPM250L/OPM350L」。它们是把积层造形和切削加工融合于一台机器的复合加工机。在充分利用积层造形的特长的同时,提高了课题上的加工精度和表面粗糙度性能,使其可以应用于制作塑料成型用的模具。并且,使用OPM系列造形的内含3D冷却水管的一体化结构模具(以下称为OPM模具)进行实际塑料成型时,不仅通过缩短成型周期提高了生产效率,还取得了降低总模具制造成本和缩减包括设计在内的总工时等各种成果。

    此外,为了充分利用拥有专有结构V-LINE®射出机的综合制造商的优势,以及最大限度活用OPM模具的特长,我们公司在2016年推出了接口设备一体化的专用射出机,全电动eV-LINE生产单元系统「MR30」,并提出了一站式的整体解决方案。2017年,开发了由多台MR30组成的下一代模具自动生产系统「ICF-V」。在本文中,将介绍OPM系列和OPM模具的特长,MR30的构成和活用事例,以及有助于IOM(物联网)的下一代成型系统ICF-V的概要。(*V-LINE®是SODICK公司的注册商标)

    精密金属3D打印机OPM系列
    OPM系列是在铺得很薄的金属粉末上,使用激光仅照射所需部分进行烧结(熔化凝固)后造形,为了提高造形物加工精度和表面粗糙度,还可以不需要重新做准备工作即可直接在同一台机器上进行连续地高速切削,所以说OPM系列是可以烧结又可以切削的金属光造形复合加工机。(首图)是可以对应大型造形物的OPM350L外观。(本机右侧:MRS单元,选配)OPM系列,采用了重视精密微细领域造形性能的「粉末床熔化成型方法(PowderBedFusion方式)」。即在底板上以每层厚度0.05mm铺设金属粉末,通过激光照射使其熔化凝固造形。数次照射后,对造形部分使用切削刀具进行高速且高精度的切削加工。通过重复这种模式,无需重新做准备工作,即可使用同一台机器高精度地加工出具有一定高度的造形物。使用专用的CAM设定激光和切削的加工条件作成NC程式,传输至OPM系列的NC装置后,即可全自动执行激光加工和高速切削加工。

    OPM系列所具有的高速切削性能是基于公司开发出的高速铣削加工的特长,对于评估性能用的造形形状,尺寸精度可在±0.01mm以内。(图1)显示了仅激光加工的表面质量和激光加工后实施切削的表面质量的不同。上半部分是金属粉末熔化凝固积层的粗糙表面,很明显不能满足模具所需要的精度和面粗度;而下半部分则具有高精度和切削加工所特有的漂亮精加工面。

     

    图 1:镭射加工(上部)和切削加工(下部)面质的不同  图 2:造形物镜面样品(左)和可视化的烟雾回收状况(右)

    造形物的金属充填率和表面质量
    以塑料成型用的模具为目标时,OPM系列适用于生产现场的重要性能之一是造形质量。通过在烟雾(金属粉末熔化时一部分成为金属蒸汽蒸发,凝集后形成的细微颗粒)回收、低氧气浓度管理和控制激光功率等方面下功夫,开发了可以稳定进行激光加工的条件,马氏体时效钢和SUS420J2得到了99.99%非常高的熔融率(我们公司制定的金属充填率指标)。漂浮的烟雾会遮住激光,无法进行稳定的熔化凝固从而使积层造形的质量劣化,而OPM系列通过把产生的烟雾迅速并高效地回收,可以使高熔融率的积层造形成为可能。(图2)显示的是使用金刚石磨粒对马氏体时效钢的造形物进行抛光,评估镜面可以达到的最小面糙度,得到了能把字典的文字清晰地反映出来的漂亮镜面(面粗度Ra0.014μm),可以将其应用于具有高质量设计表面的模具模腔。

    提高激光切削加工的造形速度
    OPM系列,可以做传统方法无法做到的深槽加工和模具内部的最佳三次元冷却配管,缩短了模具设计时间、模具制造时间,以及塑料制品的成型时间。造形尺寸越大,这些优点就越显著,但机器也必然需要大型化并且造形的绝对时间会延长,因此需要实现高速化以达到可以确保获得成本效益的水平。复合机OPM系列的总造形时间可分为激光烧结时间、刀具切削时间、铺粉时间、刀具交换时间,以及刀长测量时间等。这次大幅缩短了占据绝大部分时间的烧结时间和切削时间。首先,通过开发高速优化控制激光和振镜的「并行模式(图3)」,实现烧结时间的缩短,在320mm×320mm的大面积造形中实现了19cc/h的高速化和实现了4角和中间任意位置的99.86%以上的高熔融率(图4)。

     

    图3:并行模式(3个)之高速造形        图4:大面积的高速造形和高熔融率

    接下来在缩短切削时间方面,相比于原来每10层(0.4mm)进行1次隔层加工,通过新技术的开发,现在每25层(0.1mm)进行一次也可以得到同等的表面质量,所以隔层加工的次数可缩短为原来的2.5分之1。此外,还开发了可最大限度减少切削余量的「进程内补正」。
    因为造形时的预热、烧结时的热位移、设置环境的温度变化等原因,在OPM系列中分别单独配置的激光控制轴和切削控制轴的位置关系会随着时间而变化,因此以前需要采用加大余量烧结后再用切削去除的方法,现在可以在造形中按设定时间进行激光轴和切削轴的位置关系测量与补正,所以可以把以往需要预留的余量最小化,从而缩短切削时间。

    作为上述的验证事例,(图5)展示了在墨水盒模芯的6取造形中,采用了同时烧结3个的并行模式,25层隔层加工和进程内补正后的效果。在这个事例中,以前每一个的总造形时间需要79小时49分钟,通过综合的高速化技术,现在缩短至47小时12分钟,为原来的59%。

    图5:总合的高速化技术在模具上的实践效果

    OPM模具専用生产单元系统「MR30」精密金属3D打印机OPM系列,可以使模具的制作从传统的分体式结构变为内置3次元冷却配管的一体式结构。通过降低总成本和缩短交付周期,给模具制造带来了根本性改变,在模具性能方面实现了划时代突破性成果。OPM模具可以通过最佳的冷却保持塑胶产品的稳定质量,缩短成型周期。为了最大限度的发挥此功能,公司开发了把射出成型所需的所有周边设备一体化结构的全电动eV-LINE生产单元系统「MR30」,实现了紧凑化、矮形化、省空间和节能。MR30装备的接口设备如(图6)所示。

    图 6:MR30 外观和各周边设备

     

    图 7:暗盒式模具外观       图 8:车载防水连接器外观

    干燥机(料筒15Kg)、模温机×2台、粉碎机、材料箱※、2段式传送带※、自动选择器※与取出机夹板※等全部一体化构造(※是备选或者客户自行准备),所有接口设备的设定都可以在MR30的操作面板上进行,大幅度提高操作效率,并且通过集中管理树脂干燥温度和模具温度等数据,使IoT对应也变得容易。MR30采用暗盒式模具结构(图7),模具交换作业变得简便,可以大幅缩短模具交换时间。而且,MR30标准配备盒式模具的模座,模温机的水管处于一直连接的状态而不需要安装和拆卸模温机水管,使模具的自动交换成为了可能。

    OPM模具和MR30的最新活用事例作为OPM模具和MR30的最新活用事例,下面介绍图8车载防水连接器(一模一穴)成果。OPM系列造形的内置3次元冷却水管的模芯・模腔(图9),和传统方法加工的模芯・模腔分别组装至盒式模具并装于MR30,进行冷却时间及成型周期时间的比较。

     

    图 9:OPM 模具(模芯・模腔)构造和3次元冷却配管

     

    图 10:OPM 模具的成形冷却效果 / 图 11:OPM 模具的成形周期效果

    在没有脱模不良以及成型品尺寸和表面质量等都稳定的状态下进行了比较,成型冷却时间为58%(图10),成型周期时间是41%(图11),OPM模具获得了显著的效果。加上上述的准备时间的缩短,所以即使减少塑料产品的模穴数,也不会影响生产效率,实际证明了MR30具有可对应多品种,小批量生产的卓越性能。

    下一代模具成型自动生产系统「ICF-V

    作为多品种小批量生产的单元系统,为了进一 步发挥MR30可实现生产线自动化和成型数据 集中管理的特长,我们公司开发了通向下一代智能工厂的具体实现了射出成型生产完全自动 化 的 ICF-V(Injectionmolding Cell Factory by V-LINE®system)。智能工厂的具体实现了射出成型生产完全自动 化 的 ICF-V(Injectionmolding Cell Factory by V-LINE®system)。

    使用3D数据的制造技术,正在极大地改变制造业的 周围环境。我司推出的精密金属3D打印机和下一代模具成型自动生产系统「ICF-V」,通过在生产现场 积累实际应用,我们期望将其建立为3D数据的先行技术。■

    图 12:ICF-V 系统构成

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