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【必見】金属3Dプリンター徹底的に解説!

金属積層造形(AM)が製造企業の直面する3つの大きな課題を解決

金属積層造形(AM)を選ぶ理由
3Dプリンティングについて多くの誇大な話が喧伝されている中、AM(積層造形)で製作された複雑な金属パーツには目が奪われるような魅力があります。これらのパーツは非常に印象的ですが、現在多くの製造企業が製作したり使用したりしている多くのパーツとは恐らく異なっています。金属積層造形に投資べき理由とは?

金属積層造形が重要な点、それは考えられるあらゆる形状のパーツを造形できることではなく、この技術が製造環境のさまざまな課題を解決できるところにあります。製造企業が直面している課題は企業ごとに異なりますが、AM技術を導入した企業はこのような自社固有の課題を解決することに成功しています。この資料では、金属積層造形がもたらす3つのメリットおよびこの技術が解決できる3つの課題について説明します。

金属積層造形(AM)-3つのメリット

①幾何学的な造形の自由
AMは、従来の機械加工に基づく設計法を一新する技術です。従来の設計法では大きくて嵩のあるパーツの製作が一般的で、小型で複雑なパーツの製作には必要な工順と段取りが増える事から時間もコストも増加する事が常でした。積層造形では材料から切り出すのではなく材料を付加していくことでパーツを造形するため、使用する材料はパーツの造形に必要な分量のみとなり効率性に優れています。この長所は特に曲線がある自由形状のパーツにおいて顕著で、CNC旋盤であれば大幅な切削が飛鳥になってしまいます。このように、金属3Dプリンターには形状に左右されない幾何学的な造形の自由があります。

②完全自動化
オペレーターの作業時間の多くの部分は、対象の機械と材料に応じたツールパスの生成とGコードの入力に費やされています。金属3Dプリンターでは、オペレーターはパーツの方向や材料などいくつかの情報を入力するのみで、後はカスタマイズ可能な設定をベースにツールパスが自動的に実行します。
ステンレス鋼、チタン、インコネルなど、どのような材料を使用した場合でも、3Dプリンターによる積層造形はすべてが同じように行われます。造形に際して特別な知識もCAMワークフローも不要で、幅広い範囲の材料を利用できます。オペレーターが3Dプリンターを監視する必要はないので、工場の営業時間外も稼働させる事でアップタイムを最大化できます。

③治具・工具も段取りも不要
金属積層造形では、パーツの製作に際してこれを支持する治具も工作物保持具も必要ないので、利益に繋がらないパーツの製作に要するコストを節減できます。どのようなパーツを造形するのかに関係なく、金属3Dプリンターにカスタム治具や固定具の段取りは不要です。このため製造開始に伴うコストや間接費を削減しながら、少数量のパーツをより迅速に低コストで製作できます。

積層造形が解決する課題

実際にどのパーツを3Dプリントすれば良いのか。また3Dプリントがどのようなインパクトをもたらし、会社の収益基盤にどのような効果をもたらすのかを知るにはどうすれば良いのでしょうか。最初のステップは、現在の製造現場における問題点を明確化することです。歩留まりに影響を及ぼしている要素と、このような非効率性によるコストはどれくらいなのか。そのパーツが少ない手間とコスト、時間でパフォーマンスの向上や維持、全体的収益基盤の強化に繋がっているのなら、金属積層造形に投資する価値があります。
次ページからは、アセンブリの簡素化、形状の最適化、デジタル在庫と生産終了パーツという、積層造形で解決することが可能な、多くの業種に適用できる3つのユースケースを紹介します。これらの3つのユースケースにはさまざまな形がありますが、いずれも金属積層造形が高い価値をもたらすという点は共通しています。

①アセンブリの簡素化
複雑なパーツを従来の手法で製作する場合、より作りやすくするために複数のセクションに分割することは珍しくありません。これによって個々の構成部品の製作は簡素化されますがアセンブリ工程は複雑になり、組立時間が長くなるとともに在庫の必要性が高まり、構成部品のエラーのリスクも高くなります。

金属積層造形では幾何学的な形状の自由度が高まると同時に治具・工具や段取りは最小限で済むので、複数パーツのアセンブリを単一のパーツに統合してプリントする事ができます。これによって軽量化とパーツ点数の最小化、また製作に必要な組立工数を減らすことが可能になります。

※注目すべきポイント
製作簡素化のために、サブアセンブリとして複数のパーツに分割する設計になっていませんか?内部チャネルやスロット、複雑な表面形状などサブコンポーネントへの分割が必要なデザインのパーツを探してください。

――事例紹介――

会社名:Stanley Black & Decker社
同社は油圧式ポストホール ドライバー「STANLEYPD 45」を提供しています。このドライバーでは、ハウジング内のボールベアリングによってトリガーの引張力を駆動装置に伝える事で動かしていますが、オリジナルのハウジングは鋳造加工したメインハウジング、レーザーで切断したカバープレート、これらのアセンブリを繋ぐ2本のボルトという4つのパーツで校正されていました。同社のインフラストラクチャーイノベーション部門のエンジニアは、3Dプリンティングによりこれら4つのパーツを単一のパーツに統合することで92%のコスト削減、95%のオンタイムを実現しました。

②形状の最適化

金属積層造形は、金属パーツ製作の新な道を開きます。機械加工や鋳造、押出成形といった従来の製造法では制限されるデザイン上の多くの制約も、金属積層造形には関係ありません。工程の制約に制限されるということは、製造時間の短縮とコスト低減のためにパーツの形状を変更することにつながります。例えば、従来の製造手法に合わせてパーツを最適化するには、減らす材料を少なくすることや内部コーナーへのフィレットの付加、パーツの1面または2面の形状の制限などが伴う場合もあります。通常は、これによって機械加工パーツの形状が簡素なものに制限されてしまいます。

金属積層造形には独自の設計戦略があり、これらの戦略は従来の製造法とは大きく異なります。パーツは切り出すのではなく積み重ねることで製作するので形状の自由度が高く、従来の手法であればコストが高かったり製作自体が不可能であったりするような、有機的で複雑な形状も実現できます。これにより、企業は製作するパーツで何をするのか、またどうすれば最も効率的に設計できるのかという点に集中できます。

※注目すべきポイント
対象の機械の性能基準値を把握します。パーツを最適化することで工程のスピードアップや歩留まりの向上が可能になるか?軽量化やコンフォーマル特性、サイクルタイム、耐用年数なども考えます。

――事例紹介――

生成的ジェネレーティブデザインのブラケット
写真は高耐久性ロボティクスアプリケーション用の20kW/200Aモーターを保持する4つのブラケットの1つで、高負荷な使用環境向けに性能が最適化されており、ジェネレーティブデザインのCADプログラムによって正確な場所に材料が付加されます。機械加工パーツに比べて75%の軽量化が実現し、実装している機械のスピードと全体的なパフォーマンスが向上しました。

③デジタル在庫および生産終了パーツ

業種や規模に関係なく、通常はどうような製品でも構成部品の消耗は避けられません。ただし、パーツによって交換のしやすさは異なります。製造工程では決まった数のパーツが製造され、製造終了後はスペアパーツの入手が難しくなります。現場の機械でこのようなパーツが壊れた場合、企業にとっても現場の技術者にとっもて選択肢は限られてきます。製造メーカーにスペアパーツの在庫がある場合は顧客サイトへ出荷することもできますが、特に顧客が遠隔地や海外の場合は大きな手間となります。一方、技術者は近くのメーカーに製作を発注することができますが、極小ロットを短納期で製造してもらう価格は非常に高価になってしまいます。最終的に技術者自らがパーツを修理した場合、製造ラインの下流でさらに多くの障害が発生することになるでしょう。

完全に自動化され治具・工具や段取りも不要の金属3Dプリンターが製造現場にあれば、強力なフリート管理ソフトウェアとともにこのような保守管理の障害を完全に解消できます。交換パーツや生産終了パーツのデジタルコピーはプリンターの設定データとともに完全な形で保存されるので、オンサイトとオフサイトのいずれの環境でも金属3Dプリンターに送信して造形することができます。このように、プリンターさえあればいつでもどこでも交換パーツを製作できます。

※注目すべきポイント

運転中や製造現場で最もよく発生する交換パーツや消耗パーツは?交換リクエストにはどのようなプロセスで対応していますか?このような交換パーツの少数ロットを製作した場合のコストは?

――事例紹介――

Markforged Eigerソフトウェア
Eiger、Markforgedのプリンターを稼働させるためのプリンター管理ソフトウェアです。Eigerは導入企業ごとにセキュリティが確報されたインスタンスで稼働し、このインスタンス内でパーツの設定と造形、またチーム間で共有、検証できるとともに、社内で接続しているどのプリンターでもプリントできます。本社のエンジニアが設計したパーツを現場のプリンターに送信すれば、現場の技術者は最低限のダウンタイムで対象の機械を修理してパーツを交換できます。

MetalXシステム

Metal Xシステムは安全で手頃な価格の金属積層造形ソリューションで、他の金属積層造形テクノロジーよりも最大90%低価格でありながら、機械加工や鋳造といった既存の製造法よりも95%高速かつ低コストにパーツを製作します。プラスチック母材に金属粉末を結合した材料でプリントすることにより、Markforgedは従来の金属3Dプリンティングに伴う安全面のリスクを一切排除しながらクローズドセル式のインフィル中空などの新機能を提供し、パーツの軽量化とコスト削減を実現しています。Metal Xに実装されているパワフルなクラウドベースのソフトウェアはプリンター、アクティブジョブ、材料を管理するとともにエラーを検出し、金属パーツに製作においても最も簡素化した環境を提供します。

導入したその日から高い価値を発揮するMetal Xの詳細は、https://3dprinter.co.jp/markforged/pr/metal-x/をご覧ください。