NEWS

【導入ガイド】製造ラインの3Dプリンティング

多くの製造企業が高強度積層造形(Addtive Manufatuing、AM)を採用することで大幅なコスト削減と生産性向上を実現していますが、特にMRO(保守、修理、運転に必要な備品、消耗品などの副資材)戦略を支える手段として顕著な効果を発揮しています。多くの企業にとって、自社のどこでAMを使えば最も高い効果を発揮するのかという判断は非常に手間と時間を要するプロセスですが、これを調査して明らかにするように経営陣から指示されるプラントはますます増えています。この記事では、製造現場に高強度積層造形技術を統合する戦略とアプリケーションを紹介し、手間と時間がかかるこの作業の構造と内容を分かりやすく説明します。

機械を明確化

積層造形(AM)すなわち3Dプリンティングが製造業の未来として熱意をもって迎えられてから久しいですが、AMによるエンドユースパーツ製造の広い普及は、メディアの予想に反して具体化していません。大量生産環境に比べると、AMの経済性は魅力に欠けます。-相対的に長い造形時間や高い単価は、例えば射出成型の大量生産能力とスピードには勝てません。製造企業は、高強度積層造形をエンドユースパーツの既存の工程に替わるものとしてではなく、MROを補足する技術として活用することで、製造機械に関わる費用を劇的に削減することができます。

MROツールキットに高強度AMを加えた場合のコスト削減効果を知る上で、3つの主要な要素があります。これらのレンズを通すことで、企業は自社工程の中で高い効果が見込まれる部分を明確にし、AM戦略で投資効果(ROI)を分析する際の確固として基盤を確立できます。

①問題点とコスト要因を明確か:工程の中で効率が低い部分、設備の障害、ラインダウンなどの根本的な原因を明確にする。
②ファクトリーアプリケーション:リードタイムの短縮とコスト削減がメリットをもたらすファクトリーワークフローの主要な構成要素を明確にする。
③MRO対象機器の材料:高強度3Dプリンティングで容易に対応できるMRO対象機器の材料を明確にする

機会を明確化~「まず現場のスタッフに聞く」

AMの導入効果が最も高い場所を知る上で、最適な相手は現場のスタッフです。例えば設計責任者や製造管理者であれば、コスト要因や運転効率を把握している可能性が高いでしょう。製造に近い技術者であれば、修理及び保守の要件について詳細な知識を有しています。AMの設計には学習が必要ですが、自社の工場でAMによるMROコスト削減の機会を識別することは容易です。

問題点とコスト要因を明確化

製造工程において、機械の故障による計画外の製造ラインのシャットダウンは、最も高いコストが伴うイベントの1つです。頻繫に停止や遅れが発生している工順や修理に高い費用を要する機器など、継続的な製造を阻害している根本原因を識別する事で、AM技術を適用する箇所を特定します。高強度積層造形では交換パーツやカスタム調整治具などを短時間で製作できるので、AM戦略を策定する上でこのような課題を明確にすることが適切な出発点になります。集中すべき部分が明確になれば、その障害によるコストを計算することで、AM戦略のROIを簡単に予測できます。以下のカテゴリーについて、重要な原因を明確にしてください。

①通常運転状態で非効率的な部分:
工程間のスループルの違い、また他の標準的な運転環境の非効率性は、たとえ製造ラインが通常運転していてもボトルネックの原因になります。ガイド、アセンブリ取付具、搬送機器などは、AM技術によってラインのスループットを飛躍的に高められる部分です。

②ラインの切替および立ち上げ時の効率低下:
ラインの切替、校正、構成の変更などは、ライン立ち上げのアップタイムのロスによる生産効率の低下につながる原因になります。機械段取り時のキャリブレーション治具やマウント取付具などにAM技術を利用することで、生産ラインのスムーズな運転をスピードアップできます。

③製品の故障および廃棄:
製造品のエラーや故障の原因となる製造ラインの障害は、廃棄および製造ライン全体の計画外のダウンタイムにつながる恐れがあります。カスタムラインアドオンによって、このような障害を減らすと同時に機械の効率を高めることができます。

④計画外のダウンタイム:
計画外のダウンタイムは、工程の主要設備の故障や校正ミスによって発生し、生産率の低下やゼロ化に繋がります。AM技術により交換パーツおよび保守用工具を造形することで、ダウンタイムを最小化できます。

非効率的な工程~「段ボール エンジニアリング」

製造ラインにおける非効率性の頻繫原因の1つに、多くの製造企業が「Cardboard Engineering(段ボール エンジニアリング)」と呼んでいるものがあります。これは、ライン構成のトラブルにガムテープや結果バンド、ビニールシートなどの安い材料で一時的に対処する方法を指しています。製造ラインの障害に対応する安価な解消法ではありますが、ライン構成を切り替えるとこの方法で行った調整は失われてしまうため、立ち上げる時の調整に時間がかかり、結果として全体の生産効率が損なわれてしまいます。AMであれば、統合アラインメント機能をベースにユニークなパーツを造形して、ライン切替時に短時間でシンプルなポジショニングを行えます。

ファクトリーアプリケーション

多くの製造企業が、高強度AMを活用することで工場における治具のコスト削減に成功しています。これらの企業が実践したアプリケーションをガイドとして、貴社のオペレーションで同様のアプリケーションに活用してください。
①機械の段取り:キャリブレーション治具だけでなく機械の修理や保守用工具により、製造速度を一定水準に乗せるまでのライン立ち上げ時の効率を高める事ができます。
②ラインの最適化:検査具、生爪、アセンブリ治具、その他の工作物保持具にはアラインメント機能が必要ですが、機会にとって硬度が高い場合もあります。
③固定、位置決め:カスタム、エンドエフェクターやラインアドオンのアップグレード、またエルゴノミクス/オペレーター機器でさえも、ラインの効率とオペレーターの安全性を高めることができます。

製造現場へのAm導入による最も大きなコスト削減機会の多くは、実際に製造する数量よりも少ない数の造形物で実現されます。これがAMによるコスト削減の基盤です。なぜなら、多くの製造現場において少数の治具・工具がコストと非効率性の主要因の1つになっているためです。

事例紹介~「Dixon Valve社—ロボット エンドエフェクター」

米国のホースおよびパイプ継手メーカーDixon Valve&Coupling社は、工場にMarkforgedプリンターを導入したことで、大幅なコスト削減を実現しました。製造ライン全体を通じて自動化ソリューションを実装する必要があった同社では、アドバンストマニュファクチャリングエンジニアリング部門のエンジニア製造セルのロボットアーム用のカスタム搬送治具を3Dプリンターで製造しました。これにより、同社では現在までにプロジェクトあたり平均36000ドル(約400万円)以上のコスト削減を実現しています。

事例紹介~「Duke Manufacturing社—CMM固定具」

Duke Manufatuing社では、AMによって検査および高度な輪郭成形物のシリアル化のためのCMM(三次元測定機)およびレーザーマーキング固定具を製作しています。既存の製造設備では非常に複雑な固定具を必要とする製品の受注ペースに合わせることができませんでしたが、Markforgedによって、サービスを提供する個々の業界における価格競争力は維持したままで、顧客のニーズへ迅速に応えることが可能になりました。

機会を明確化~「MRO対象機器の材料」

製造工場で3Dプリンティングによるコスト削減効果を明らかにする最も幅広い手段の1つは、MROのパーツや製造機器で広く使われているプラスチックと金属を特定することです。最新の高強度AM材料は、これらの標準的な材料に匹敵するかそれ以上の特性を備えているとともに、場合によっては一般的な商業市場で簡単に入手できるコンポーネントと組み合わせることができます。特に、以下の材料を使用している場合が多い重要なパーツと機器に注目する必要があります。

①一般的なエンジニアリングプラスチック:デルリン(アセタール樹脂)や超高分子量ポリエチレン(UHMWPE)、ナイロンは、その耐摩耗性と靭性から製造で標準として使われているエンジニアリングプラスチックの一例です。
②MROの一般的な金属材料:アルミニウム、ステンレス鋼、工具鋼は、その機械的強度と剛性からMRO機器で使われている中核的な金属材料ですが、製造には高いコストを要することがあります。

MROで使用するこれらの材料を明確にしたら、対象のアプリケーションに必要な特性とAMを活用できる部分を考える必要があります。強度、靭性、耐摩耗性など、これらの材料がアプリケーションに理想的であると考えられる特性も、Markforgedの複合材による3Dプリンティングで完全に再現するか、これらを上回る性能を発揮することも可能です。この時、通常の商業市場で、簡単に入手できるパーツとともに使用することも珍しくありません。これらの材料で製作する取付具やガイド、カスタムマウントハードウェア、その他の数量が少ないアプリケーションでも、AMであれば低い単価で、また複雑な加工作業のスピードを阻害しコストもかさむ工作物保持具の段取り不要で造形できます。

機械の材料~「UHMWPE製車両フレーム製造用架台」

写真のような産業車両フレーム製造用のUHMWPE製架台は、多くの製造部門にとって製作に時間とコストを要するパーツです。製造ライン中のこのタイプの治具と材料には、3Dプリンティングが非常に適しています。Markforgedの工業シリーズにあるような高強度3Dプリンターであれば、UHMWPEをはるかに上回る機械的強度と靭性のパーツを短時間で造形できます。

産業用3Dプリンティング

最新の製造環境では、競争力を維持するための新しい治具・工具や新しい観点が求められます。3Dプリンティングを使うことで、MRO(保守、修理、運転)に使用する治具およびパーツのコストを劇的に削減することが可能になります。多くの製造企業が、Markforgedの工業シリーズ3Dプリンターのような高強度AMソリューションを活用することで、競合優位性を飛躍的に高めています。完全な精密さを備えたこれらの3Dプリンターによって、過酷な製造現場に耐え得る十分な強靭性を備えた治具・工具およにMROを短時間で造形しながら、コストの大幅な削減とリードタイムの飛躍的な短縮を実現することが可能になります。連続ストランド炭素繊維フィラメントなどの高度なプリント材料がパーツの強度をさらに高め、アルミニウム6061-T6を上回る強度を実現するとともに、6軸マシニングセンターを超える幾何学的に複雑なパーツの造形を可能にします。これらのすべては、パワフルであるながらシンプルなプリンター管理ソフトウェアを通じて完全に制御できます。CAMやNCのプログラミングは一切不要です。Markforged工業シリーズは、お客様の製造戦略におけるコスト削減と生産能力の向上に欠かせないツールを提供します。