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Artec 3DスキャナーとGeomagic Control Xソフトウェアによる製造プロセスの改善


こんにちは!

連日続くコロナウイルスの影響で何でも自粛モードでしんみりしていますが、気候はだんだんと春めいて、新しいことにチャレンジしたくなってきているデータ・デザイン広報です。

日進月歩なのはテクノロジー界も同じで、新しい生産技術が進化すると、思いもしなかった壁が立ちはだかってくるようです。

そこを乗り越えた先の成長が楽しみで、何度ぶつかっても挑戦するんですけどね。

ArtecとGeomagic ControlXがより連携して使いやすくなるように、様々な困難を乗り越えたというストーリーが掲載されていましたのでご紹介します。

チャレンジ!(以下抜粋)

新しい生産技術が進化するにつれて、最良のパフォーマンスを発揮する部品を製造する際には毎回新しい技術的課題が生じます。

多くの場合、契約製造業者は、収縮、表面仕上げ、再現性などの要素を理解するために生産を初めて試みるときに、新しいプロセスを大幅に調整する必要があります。

積層造形(AM)も例外ではありませんが、この生産方法論のこれらの要素を追跡するツールは遅れています。しかし!それは今刻々と変化しています。

ほとんどの製品は、生産までのライフサイクルを通じて共通のプロセスに従います。設計、製造、検査は、プロセス、段階、および責任を考慮するための一般化された方法であり、それぞれが高品質の部品を生産するための鍵となります。

製造される部品の複雑さと性質に応じて、実際のワークフローには多くの調整ループとフィードバックが含まれます。

次のワークフローの例は、Artec 3D Space SpiderGeomagic Control Xソフトウェアが、3Dプリントされたワックスキャストパターンとキャストパーツの設計、検証、製造プロセスのすべての段階で、トータルシェイプキャプチャと分析を提供する方法を示しています。

Artec 3D Space Spider とは

Artec Studioスキャンソフトウェア

Artec 3D Space Spiderは、超高解像度のハンドヘルド3Dスキャナーであり、小さな物体や寸法検査のための複雑な詳細を正確にキャプチャするのに優れています。

プラグアンドプレイ操作により、Space Spiderは複雑な準備や広範なユーザートレーニングなしでオブジェクトを簡単にスキャンし、顧客がどこでも部品をデジタル化できるようにします。

Artec 3D独自のターゲットフリーアルゴリズムにより、スキャナーはオブジェクトをその形状と色だけで追跡できます。

オブジェクトにターゲットを適用する必要はありません。

Geomagic Control X とは

3D SystemsのGeomagic Control Xは、製造の根本原因分析(RCA)および修正を可能にする産業用計測ソフトウェアです。

3DスキャンネイティブソフトウェアであるGeomagic Control Xは、ポータブル測定デバイスを使用した計測に最適なソリューションです。

Geomagic Control Xを使用すると、組織内のより多くの人々が、どこからでもより速く、より頻繁に、より完全に測定できます。

総合的なソリューションは、複雑な製造プロセスでの成功した生産に関する独自の洞察を提供します。

結果、最終部品全体の品質、精度、再現性が大幅に向上しました。

設計

このワークフローの例では、実際の顧客プロジェクトを複製しましたが、詳細を一般化しました。

この場合、顧客は専用の自動運転の小型車両を開発していました。

市場投入までの時間を短縮するために、彼らは現在市販されている車両からさまざまなコンポーネントとシステムを選択して組み合わせ、実用的なプロトタイプを完成させました。

このプロセスで、彼らは特定のステアリングナックル(各1つ)がプロジェクトにとって価値があることを発見し、軽量素材でさらに修正して製造できるように設計をデジタル化しキャプチャする必要がありました。

作業を開始するために、彼らはオリジナルのキャスティングを3Dスキャンしてリバースエンジニアリングしました。

彼らはArtec 3D Space Spiderスキャナーを使用して迅速なデジタル化を行い、独自のハイブリッドモデリングアプローチでGeomagic Design Xの部品を迅速かつ正確にモデリングしました。

通常、顧客は構築時(非常に正確な)または設計意図(寸法駆動型)のいずれかのモデリング手法に従います。

ハイブリッドモデリングアプローチは、これらの概念の両方を組み合わせて、寸法付けられた機能と非常に正確なNURBSサーフェスの両方を備えたCADソリッドモデル結果を提供することで構成されます。

この戦略を使用して、彼らは1.5時間以内にモデルを完成させ、機能ベースのCADとしてSOLIDWORKSにライブ転送しました。

パターンメイキング

ProJet MJP 2500 ICの未完成のワックスプリント

AMは、航空宇宙や自動車の用途で使用され、数十年にわたって犠牲的な鋳造パターンを生成してきました。

3Dプリンティングの最近の進歩により、産業グレードのパターンをワックスまたはポリマーで大幅に低コストでプリントできるようになりました。

これは、投資鋳造プロセスでシームレスに機能します。

3D Systemsは、ツールを使用しない加法パターン作成のより多くの分散採用を見ており、技術がよりアクセスしやすく、迅速かつ正確になるにつれて、成長を続けます。

材料の堆積または後処理に熱エネルギーを伴う追加プロセスでは、ある程度の部品の反りと沈降が発生する可能性があります。

かなりの質量またはかなりの断面積を持つ部品は、小さい部品または薄い部品よりも長く熱を保持します。

この知識に基づいて、3D Systemsは、印刷物のコストを可能な限り低く抑え、寸法安定性を最高レベルにすることを目的に、完全に固体のワックス印刷方法と、薄いシェル/スパースワックス充填物の2つの印刷方法をテストしました。

どちらも3D Sprintビルドクライアントソフトウェアで準備され、ワックスキャスティングパターンを生成するProJet MJP 2500 IC 3Dプリンターでプリントされました。

過去の経験から、50%の疎充填率の2 mmシェルは、比較的大きなパーツを印刷するときに高品質で安定したパーツを生成することがわかりました。

後処理と冷却時間の後、同じArtec 3D Space Spiderスキャナーを使用して、2つのパターンを比較的簡単にスキャンしました。

パーツのユニークな形状、緑色のワックス色、およびポストプロセスのわずかな鈍化と白化の効果により、スキャニング技術者はジオメトリ+テクスチャトラッキングを使用してモデルをスムーズにキャプチャできました。

ProJet MJP 2500 ICに印刷された疎充填モードのサンプル断面図

Geomagic Control Xを使用して、3D Sprintビルドファイルを直接インポートし、検査ルーチンの正確な印刷方向で各パーツを検査しました。

対象部分を繰り返しスキャンしてプロセスを改善することがわかっているため、1つの詳細な検査プロジェクトをセットアップし、それを複数回複製しながら、単一のGeomagic Control Xファイルでプロセス開発履歴全体を維持することができました。

スキャンの完了後、新しい各STLファイルをGeomagic Control Xプロジェクトにドロップするだけで、評価プロセスが自動的に引き継がれ、高品質で再現可能なレポートが作成されました。

一般に、機械加工オフセットのあるすべての領域は鋳造公差内にありましたが、より自由な形式の領域は、厳しい公差範囲外の傾向を示していました。

これは、大きな断面積が熱を保持し、冷却時に形状を変化させる可能性があるという仮定を適切に相関させたと考えています。

この段階での包括的な分析により、ワックスパターンを使用した3Dプリンティングの方が費用対効果が高いだけでなく、後処理後の寸法適合性が高いという結論を導き出すことができました。

固形ワックスパターン分析
インフィル分析によるワックスパターン

鋳造

インベストメントキャスティングは、5,000年前の信頼できる製造方法であり、数百年前の産業革命のd明期から世界の産業製造業で確立されてきました。

鋳造プロセスは非常に成熟しており、再現性があり、有名であり、内部部品の欠陥の可能性を減らすためにシミュレーションソフトウェアでカバーされています。

経験豊富なファウンドリパートナーと最小限の顧客の努力により、付加的に製造されたパターンを提供し、内部欠陥がなく、一般的に鋳造で許容されるプロセス許容差を一般的に超える部品を製造することができます。

結果のテストとプロセスの反復に積極的に参加しているお客様は、鋳造プロセス自体の安定性のために、部品の形状を調整する際に非常に高品質の出力を達成することが期待できます。

収縮は、鋳造プロセスの既知の結果です。

通常、ファウンドリは、バウンディングボックスで定義された部品サイズの特定の材料の既知の収縮を補正するためのガイダンスを顧客に提供します。

幾何学的な複雑さおよび物理的な鋳造プロセスによって悪化するため、ほとんどの部品で不均一な収縮が見られることがよくあります。

その結果、鋳造は一般に緩い許容プロセスと見なすことができます。

ステアリングナックルの鋳造プロセス中に、モデルと材料に適した収縮率を調査しました。

鋳造施設と相談した後、正確な部品を製造するために2%の均一なスケールを推奨しました。

3Dスキャンと精密スケールファクターがエンドパーツの精度に与える影響を調査するために、アドバイスに従って2%スケールファクターのワックスパターンを作成し、ファウンドリに提供しました。

品質管理

スケール誤差解析の断面

3D Systemsは、鋳物をさらに検査して、均一なスケーリング係数が予想される許容範囲に適合しているかどうかを検証しました。

一般化されたファウンドリ仕様に従って、ほぼ同じサイズの部品について、パートナーの規定の達成可能な精度の範囲内に確実に収まる部品を提供しました。

ただし、Geomagic Control Xのクロスセクション比較ツールを使用した詳細な検査により、精密スケール係数をより適切に適用すると、完成部品の全体的な精度を有意に改善できる明らかな領域がいくつか示されました。

この断面シルエットとタイトトレランスバンドを比較すると、外側の境界線が青色で、内側の境界線がオレンジ色と赤色で明確に示されています。

外側のプロファイルは、実際の部品境界が参照境界の内側にあるサイズ不足の状態を確認します。

内側のプロファイルは、中心円筒形の特徴が意図したものよりも寸法が小さいことを示していますが、参照形の外側に表示されています。

これは、パーツのシルエットシャドウ全体に縮尺の違いがあることを示しており、縮尺係数を増やし、印刷し、再度キャストすることで修正できます。

以前の鋳造プロセス改善調査では、適用可能な推奨標準値からの相対的な調整に関する洞察が得られました。

X、Y、Zでそれぞれ2.2%、2.3%、2.7%の不均一なスケールファクターを持つ2番目のワックスパターンを印刷し、鋳造工場に供給しました。

精度が補正されたパターンの最終検査により、パターンからパーツへのプロセスに関するいくつかの結論を引き出すことができました。

最終キャストパーツ
最終鋳造分析
  • 精密にスケーリングされたパターンは、ファウンドリの期待を超える結果をもたらしました。
  • スケール修正された部品の全体的な寸法コンプライアンスは約14%増加しました。
  • 精度の向上により、少なくとも1つの主要な機械加工作業を回避できました。
  • 部品全体の総生産コストが削減されました。
  • 一般的な機械操作を削減するために、さらに精度を適用できるかどうかを確認するには、将来の分析が必要です。

結論~効率は、人間と製造サイクルで利益を維持し、無駄を減らすための鍵~

Artec 3D Space SpiderスキャナーとGeomagic Control Xを使用して、最小限のチューニングサイクルと反復でプロセスの各段階を分析することにより、製造部品の全体的な品質を向上させることができました。

反復と当て推量を減らし、時間とお金を節約し、市場投入までの時間を短縮することは、高品質の3Dスキャンおよびスキャンネイティブの産業用検査ソフトウェアのトータルソリューションを使用することの重要な利点です。