アディティブマニュファクチャリングにおける品質保証

Dagmar Ecker, Master of Business Engineering

Fraunhofer IAPTは、アディティブマニュファクチャリング分野の主要機関の1つと考えられており、3Dプリンティング技術を科学から産業に移転することに専念しています。航空機、自動車、鉄道、船舶、工具、機械の製造における連続生産、さらには医療およびプラスチック技術への付加技術の適用に焦点を当てています。Fraunhofer IAPTは数年にわたり、MKS Instrumentsと協力し、Ophirの測定技術を使用しています。特にアディティブマニュファクチャリングへの応用を目的としてOphirによって開発されたBeamWatch AMは現在、同研究所のレーザー専門家によって集中的に使用されています。レイリー散乱効果の原理に基づいてレーザービームの非接触測定を実行し、レーザービームのコースティクスとパワーの包括的な測定を迅速に提供します。当初は異常検知後の原因分析のみに使われていた測定器ですが、今では日常業務に欠かせないものとなっています。Fraunhofer IAPTの機械工学修士兼プロジェクトエンジニアであるHussein Tarhiniは次のように説明しています。「これらは、航空宇宙産業などで、多くの場合、大きな負荷を受けるコンポーネントです。テスト中に、レーザーの特性の変化が生産品質に大きな影響を与える可能性があることが明らかになりました。」

Hussein TarhiniはFraunhofer IAPTの品質保証および認証グループで、光学工学修士およびプロジェクトエンジニアのStefan Grottkerと協力しています。Fraunhofer IAPTのこれらの専門家のアプローチは、明らかに予防測定とビッグデータの方向に一歩を踏み出したものです。100を超える潜在的な影響変数を伴う非常に複雑なAMプロセスでは、体系的なモニタリングとそれらの値の収集が必要です。データは、人工知能とシックスシグマ戦略を使用して解釈できます。グループの目的は、AMプロセスをさらに最適化する、まさにこの種の新しいテクノロジーとプロセスを開発することです。予備検査は、μCTスキャンや破壊検査法のような非常に高価な追跡検査の必要性を可能な限り回避することを目的としています。

しかし、Fraunhofer IAPTの専門家の見解では無視されてきた要因の1つは、集光レーザービームが生産品質に及ぼす影響です。レーザー光源自体は信頼性が高く、古典的な金属加工で使用されるツールとは対照的に、原理的にほとんど磨耗することなく動作するため、分析から除外されてきました。

ただ、Fraunhofer IAPTでの調査では、ビーム源も時間の経過とともに老朽化し、パワーやビーム品質が低下したり、ビーム経路内で繰返しの焦点シフトやパワー損失が発生したりすることが判明しました。その理由は次のように多岐にわたります。

• 位置の変更
• 光学部品の磨耗
• 保護ウインドウの汚れまたは損傷

これらの影響を与える変数の多くについて重要なのは、変化が非常に小さいため直接検出できないことです。すべてのパラメーターが実際に仕様を満たしているかどうかを確認できるのは、加工面上で集光したレーザービームを測定することだけです。Stefan Grottkerは次のように説明しています。「実験中に、レーザービームが必要なパラメーターを満たしていないことが後からしか判断できない場合は、すべての実験をやり直す必要があります。また、実稼働環境では、これにより、顧客に欠陥のある部品が納品されるという最悪のシナリオが発生する可能性があります。いずれにせよ、レーザー光線の非接触測定を定期的かつ短い間隔で実行することは、はるかに優れた、よりコスト効率の高いソリューションであることが証明されています。たとえば、アディティブマニュファクチャリング部品の承認のために、製造プロセスにおける細心の注意を払った品質保証の証拠を提出する必要がある航空機製造の企業にとって、そのような対策は不可欠であるとさえ考えられます。」

Fraunhofer IAPTの2つの例は、レーザービームの偏差による重大な影響を示しています。それまでレーザーパラメーターを月に1回チェックしていたLBMシステムが、一貫性のない結果を生成し始めました。たとえば、製造された部品の密度値 (気孔率など) は、以前の測定値から大幅に乖離しました。品質保証チームは、Ophirの非接触測定技術を使用してレーザービームのパラメーターを検査しました。わずか数秒後に、ビームウエストとその位置が仕様から大きく逸脱していることが判明しました。

その後、専門家が光ビーム経路を検査し、肉眼では見えない保護ウインドウの損傷を発見しました。ガラスを交換することで問題は解決しました。ビームウエストは作業面に戻り、熱シフトはありませんでした。新しいプロセスを開始する前に、焦点シフトを含むレーザーパラメーターがデフォルトでBeamWatchシステムで測定されていれば、不合格は防げたでしょう。

最終製品を生産する別の機械では、品質の低下がさらに顕著でした。ここでは重大な欠陥のある部品が製造されました。表面品質が非常に悪く、材料が破損しているため、さらなる調査が行われました。これらの結果は、レーザーパラメーターが仕様から著しく逸脱していることも示しています。

このグラフは、ビームプロファイルが望ましいガウシアンプロファイルに対応していないという問題を視覚化しています。測定により、ビーム直径が本来の3倍以上であることも明らかになりました。トラブルシューティングのために光学ベンチを分解したところ、漏れた冷却水がレンズに影響を与えていることが判明しました。一部の光学系はクリーニングできますが、他の光学系は正常に機能するように交換する必要がありました。

作業面上のレーザービームの品質は、製造部品の品質、そして何よりも再現性に決定的な影響を与えます。Fraunhofer IAPTの専門家は、特に安全性に影響を与えるコンポーネントについては、各3Dプリント作業の前後にレーザービームをチェックすることを推奨しています。この目的のために、彼らはBeamWatch AMを使用しています。