ボッシュの先進的なセラミック3Dプリンティングは、一度に1,400個のセラミック部品を印刷し、大量生産を実現

概要: テクニカルセラミックスの世界的リーダーであるボッシュアドバンストセラミックスは、自動車、医療機器、化学薬品など、複数の業界にわたる幅広い事業を展開しています。現在、当社は積層造形技術を用いた部品の印刷に注力しており、セラミックスの量産において豊富な経験を持っています。次に、Bosch Advanced Ceramics が LiToZhi 3D プリンターを使用してマイクロ医療部品を量産する事例を紹介します。

2014年、Bosch Advanced Ceramicsは最初のLiTaoZhi 3Dプリンターを発表しました。 10年間の開発を経て、ボッシュはLiTaoZhi LCM技術を採用した4台のセラミックプリンターを含む、セラミック印刷技術を採用したさまざまな3Dプリンターを製造し、セラミック3D印刷分野のリーダーになりました。付加製造技術が成熟するにつれ、ボッシュは技術力を強化し続けています。
腹腔鏡カニューレの設計は複雑であり、薄壁要件と中空構造が 3D 印刷技術にとって大きな課題となっています。この記事では、ボッシュアドバンストセラミックスが豊富な技術経験を活かして、設計要件を満たし、安定した量産を実現した方法について詳しく説明します。LCM CeraFab 積層造形プリンターにより、スリーブは一度に 1,400 個ずつ製造され、年間 50,000 個を生産します。

Bosch Advanced Ceramics は、毎年何百万個もの自動車部品を生産していることで有名な南ドイツのブライヒャッハ工場にあります。 Bosch Advanced Ceramics は創業以来、社内のセラミックに関する専門知識と強力な付加製造能力を組み合わせて、外部の顧客にサービスを提供してきました。

図 1: ボッシュアドバンストセラミックスは、南ドイツのボッシュブライヒャッハ工場に本社を置いています。この工場は、年間数百万個の自動車部品を生産していることで有名です (画像提供: ボッシュ)
ボッシュ・アドバンスト・セラミックスには、セラミック射出成形と積層造形という2つの技術力がありました。積層造形を開発する当初の目的は、技術的な可能性を探り、射出成形の試作品製造を提供することでした。しかし、積層造形が急速に独立した生産プロセスに成長した現在、ボッシュはセラミック3Dプリントサービスの提供に完全に注力します。ボッシュは現在、合計6台のセラミック3Dプリンターを所有しており、そのうち4台はCeraFab 3Dプリンターです。

図 2: Bosch Advanced Ceramics は、ドイツ南部のブライヒャッハ工場に 4 台の CeraFab 3D プリンターを保有しています (画像提供: CeraFab)
技術的な進歩
2023年の初め、ボッシュ・アドバンスト・セラミックスは、低侵襲腹腔鏡装置に使用するセラミック絶縁スリーブを有名な医療技術企業向けに生産するという新たな協力の機会を迎えました。詳細な技術評価の結果、生産の難しさは極めて高い寸法精度要件にあることが判明しました。この困難が解決されれば、Bosch Advanced Ceramics は Litaozhi の CeraFab プリンタープラットフォーム上でこれまでで最大の単一バッチ生産規模を達成できます。

表1: 絶縁スリーブの主なパラメータ（データソース: Bosch Advanced Ceramics）
医療機器の厳しい品質要件により、Bosch Advanced Ceramics の技術チームは、顧客の高い品質基準を満たしながら、年間 20,000 個の部品を生産するという目標を達成する必要があります。表 1 に絶縁スリーブの主要なパラメータを示します。

腹腔鏡器具のコンポーネントのサイズが小さく、組み立て要件を満たす必要があるため、腹腔鏡器具内の 2 つの導電部品を絶縁して電気的破壊を防ぐ電気絶縁体が必要です。設計されたセラミックスリーブの外径はわずか1.3 mmで、手術による切開を小さくできるだけでなく、患者の治癒速度を大幅に向上させ、術後の痛みを軽減します。スリーブ（図3、5、6参照）は、断面積がわずか0.35 mmのワイヤを巻くために使用されるため、スリーブの内径は0.43 mmに設計され、上部のセラミック壁の厚さはわずか90ミクロンです。

「私たちが直面している課題は、医療機器の独特なデザインと厳格な品質基準を同時に満たし、バッチ間で一貫した品質の製品を印刷し、年間2万個の生産を達成することです。」

3Dプリントの利点
3D プリントは金型を必要とせず、自由に設計できます。従来の加工方法では実現できない複雑な微細構造を印刷できると同時に、製品が寸法精度の要件を満たすことを保証します。3D プリントは、医療機器メーカーがセラミック部品を製造するための第一の選択肢となっています。

材料を選択する際、耐腐食性、耐熱衝撃性、電気絶縁性などの利点があるため、テクニカルセラミックは理想的な選択肢です。技術チームは、サイズ、精度、電気絶縁性に関する顧客の要件を完全に満たす、LithaLox の LithaLox 360 アルミナを製造材料として選択しました。

図 3: Bosch Advanced Ceramics が製造したスリーブ (画像提供: Bosch Advanced Ceramics)
セラミックスの積層造形<br /> 技術チームの評価を経て、Bosch Advanced Ceramics は LithaLox の LCM 積層造形装置を生産に採用しました。この装置の解像度は 40 ミクロンと高く、選択された材料は LithaLox の LithaLox 360 アルミナで、サイズ、精度、電気絶縁に関する顧客の要件を完全に満たすことができます。

Bosch Advanced Ceramics チームは、次の 3 つの主要な問題に重点を置いています。

バッチ間の一貫した品質を確保するために生産パラメータを正確に調整します
垂直印刷構造を実現するためにサポート構造の設計を最適化
自動洗浄プロセスにより、小さな部品の安全な取り扱いが保証されます

両者は6カ月以内に量産化を実現する計画を立て、当初は年間2万個の生産目標を設定した。

図 4: LCM セラミック 3D プリンターの内部。この技術はフォトポリマー堆積プロセス (VPP) に基づいており、非常に複雑な形状やマイクロコンポーネントを生成できるため、従来のセラミックプロセスでは実現が難しい設計を実現できます。（写真提供：李淘志）
付加製造により設計の反復と製造の革新が加速されます<br /> 顧客との 5 か月間の緊密な連携を経て、Bosch Advanced Ceramics は年間 20,000 個の部品を生産するという目標を達成しました。この成果は、1 回の印刷での高い出力によって可能になりました。最適化された設計、高度な LCM 技術、高品質のアルミナ材料、そして Bosch Advanced Ceramics と LiToZhi の専門知識の組み合わせにより、1,400 個の医療機器部品を単一の印刷プラットフォームで効率的に製造することができ、3D 印刷技術の大きな利点を十分に実証しています。

量産で達成された大きな成果に基づき、生産目標は年間 50,000 個に増加され、当初の顧客需要の 2 倍以上となりました。この成長を実現するために、チームはさらにテストと協力を行い、複数のバッチと大量生産規模で高い品質基準と製品一貫性を実現します。

図 5: 洗浄、取り外し、焼結前のプリントプラットフォーム上の 3D プリントスリーブ。（写真提供：ボッシュ・アドバンスド・セラミックス）
Bosch Advanced Ceramics は、生産量を年間 50,000 個に拡大することに成功し、プロジェクトは完全に成功しました。この成果は、セラミック材料で作られた複雑な部品の大量生産を実現する LCM 印刷技術の優れた能力を実証しています。バッチサイズが大きいにもかかわらず、すべての部品は一貫した高品質を維持し、極めて薄い壁厚の要件を満たしています。
図6: ケーシングの外観（出典: Bosch Advanced Ceramics）
セラミックのバッチ 3D プリントの新たなベンチマークを設定<br /> Bosch Advanced Ceramics は、LCM テクノロジーの独自の利点を活用して、小ロットサンプルから大規模生産への移行を実現しました。このテクノロジーは、高精度、バッチ間の安定した品質、柔軟な設計を保証し、複雑なマイクロコンポーネント用の最新の腹腔鏡ツールのニーズを満たします。

図 7: セラミック 3D プリントで作られた外科用鉗子ヘッド (左) とカニューレ (右) (画像提供: Bosch Advanced Ceramics)
高性能セラミック材料は、技術要件を満たすために不可欠です。たとえば、LithaLox 360 アルミナには、耐高温性、電気絶縁性、耐腐食性など、多くの利点があります。最大 40 ミクロンの解像度を持つ CeraFab プリンターと併用することで、Bosch Advanced Ceramics は 90 ミクロンのセラミック壁厚を実現することに成功し、従来の製造プロセスの限界を打ち破りました。さらに、Bosch Advanced Ceramics は、独自の洗浄プロセスにより、処理プロセス中のグリーン体の完全性を保証し、生産チェーン全体にわたる専門的な管理を完全に実証しています。

Bosch Advanced Ceramics は、一貫した品質を維持しながら年間生産量を 20,000 個から 50,000 個に増加することに成功し、業界の新たなベンチマークを確立しました。この成果は、LiTaoZhi 3D プリンター技術とセラミック材料の大量生産、高精度製造能力を証明するだけでなく、セラミック印刷サービス業界のリーダーとしての Bosch Advanced Ceramics の強みを浮き彫りにし、革新的な技術、材料科学、産業専門知識を効果的に組み合わせて、セラミック付加製造の将来の発展に新たな機会を切り開きます。

この記事のオリジナルの英語版は、Norbert Gall と Alice Elt によって執筆されました。中国語版は、Bosch Advanced Ceramics の Nie Pinxu 氏と Yang Siqi 氏が翻訳・編集しました。

この記事の内容にご興味がおありの方、またはご質問がございましたら、ボッシュ・アドバンスド・セラミックス（166-2846-0497）までお問い合わせください。
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