3Dプリンティングは自動車産業の変革を加速させる

2017年6月23日、『トランスフォーマー5/最後の騎士王』が全国の主要な劇場で正式に公開されました。この映画の評判は満足できるものではないが、その大きな影響力は過小評価できない。 1980年代に人気を博したアニメ版『トランスフォーマー』から、現在のSF傑作『トランスフォーマー』シリーズまで、「オートボット」は3世代にわたって未来の自動車に対する想像力を刺激することに成功しています。
良いニュースは、想像力は決して止まらず、科学的な革新も決して止まらないということです。特に近年、中国住民の消費能力は増加し続けており、自動車の生産・販売も年々増加しており、自動車製造業は急速な発展期を迎えています。自動車業界全体の生産・製造プロセスは常に最適化されており、外観デザインと全体的な性能は絶えず向上しています。 3D プリント技術の採用は、現代の自動車生産モデルの確立に重要な技術的サポートを提供します。

たとえば、Audi はテールライトのプロトタイプ作成に Stratasys の J750 3D プリンターを使用し、検証プロセスを加速し、プロトタイプの製造時間を 50% 短縮しました。従来の製造モデルにおける「減算型製造技術」と比較すると、3Dプリントの利点は、機械加工や金型を必要とせず、コンピュータグラフィックスデータから直接あらゆる形状の部品を生成できるため、製品開発サイクルが大幅に短縮され、生産性が向上し、生産コストが削減されることです。

本日、編集者が自動車業界における 3D プリントの応用事例をいくつか選びましたので、ぜひご覧ください。

事例 1: Solaxis は Stratasys 3D プリンターを使用して変化を生み出しています
Solaxis は北米の自動車部品専門サプライヤーです。3D プリント技術を使用して自動車組み立て治具を製造しており、重量の軽減と精度の向上という一石二鳥の成果を上げています。

組み立て簡単<br /> 自動車部品を組み立てるための従来の固定具には、メンテナンスが難しく、金属製で、重量が最大 150 ポンドあり、移動が容易ではないという 2 つの大きな欠点があります。しかし、Solaxis Ingenious Manufacturing のエンジニアが示したように、照明器具はこれらの欠点を克服することができます。
Solaxis は、Stratasys Fortus 3D プリンターファミリを使用して、自動車サプライヤーが大量のプラスチック製ドアシールを組み立てるための治具を設計および製造しました。 Solaxis は、治具を数回繰り返し開発した後、従来の治具よりも 100 ポンド以上軽量な 3D プリント治具を製造し、従来のプロセスと比較して設計と製造時間を少なくとも 3 分の 2 短縮することができました。

要求に応じて反復する
Solaxis の設計エンジニアは、ドアシールアセンブリフィクスチャを継続的に最適化し、過去数年間で少なくとも 12 回以上の反復作業を行ってきました。自動車業界の顧客にとって、CAD ソフトウェアを使用して設計を迅速に完了し、Fortus 3D プリンターシリーズを使用して迅速に印刷するという製造モデルは非常に新しいものです。

フランソワ・ギルボー氏はこう付け加える。「顧客に戻って『金型を作り直さなければならない』と言うことなく、自由にデザインを修正することができます。」

この機敏性により、Solaxis のエンジニアは、ボタンやハンドルの配置、スライドの追加、その他の人間工学的な改善など、さまざまな小さな調整を組み込むことができました。これにより、Solaxis は既存の社内ハードウェアと統合できるようになり、スイッチや回線がダウンした場合でも顧客がすぐに交換できるため、設計における部品の数が大幅に削減されました。

ギルボー氏によると、エンジニアは部品の複雑さに応じて、CAD の反復作業を 8 ～ 20 時間で完了できるという。 Solaxis は顧客のエンジニアとファイルを共有し、設計を迅速に確認して数日以内に新しい器具を製造することができました。 CNC 工作機械を使用して製造される固定具とは異なり、Fortus 3D プリンターはいつでも製造でき、製造プロセス全体で人間による監督は必要ありません。

顧客にとって、そのメリットは明らかです。ギルボー氏は次のように語った。「当社は、従来の製造モデルでは16～20週間かかっていた設計・製造サイクル全体を3～5週間に短縮することに成功しました。」

高効率、低コスト
Solaxis クランプのサイズは 34 インチ x 22 インチで、重さはわずか 28 ポンドなので、誰でも簡単に移動できます。今日、すべての作業者は、自分の作業台にそのような固定具があればいいのにと思っています。
さらに、Solaxis 固定具を使用することで、作業者は 1 サイクルあたり平均 4 秒を節約できます。シールを組み立てる従業員は平均して年間 250,000 サイクルを実行し、サプライヤーの労働時間を数百時間節約します。

「サイクルタイムの短縮だけでも、3D プリントされた治具を導入する価値は十分ありました」とギルボー氏は語ります。「つまり、わずか 12 か月で ROI が実現したのです。」

コンプライアンス検証<br /> Solaxis と連携する前は、顧客はコンプライアンスの問題に頻繁に遭遇していました。 OEM (相手先ブランド供給) に納品された備品は、多くの場合、長期間の費用がかかるオーバーホールのために返品されます。

Stratasys 3D 印刷技術により、Solaxis は固定具を継続的に改良し、顧客の生産時間とコストを節約できます。その結果、自動車部品サプライヤーは、OEM 顧客に提供するドアシールの信頼性を大幅に向上させました。過去2年間コンプライアンス問題は発生しておらず、Solaxisの利益も大幅に増加している。

事例2: アメリカのプロレーシングチーム、チーム・ペンスキーがストラタシスと提携し、レーシング界に3Dプリントを導入
Stratasys は、3D プリント技術を使用して、Team Penske のツール、レースカー部品、エンジニアリングプロトタイプを製造し、カスタマイズされたモータースポーツアプリケーションと材料エンジニアリングの技術サポートを提供しています。

努力は報われる<br /> レースの世界では、チームペンスキーは勝利の代名詞です。その伝説的な歩みは、創設者ロジャーペンスキーの卓越したリーダーシップと、メンバーの勝利へのたゆまぬ追求から生まれました。現在までに、チームは440を超える主要選手権で優勝し、500回以上のポールポジション（スタート）を獲得したほか、29の国内選手権（オープンホイール、自動車、レースイベントを含む）で優秀な成績を収めており、卓越性を追求する気高い品質をさらに際立たせています。しかし、チーム・ペンスキーが無敵であり続けるためには、現状を打破し、未来に挑戦し続ける必要があり、この目標を達成するための基礎となるのがテクノロジーです。

テクノロジーの最先端
「今日のレースではテクノロジーが大きな役割を果たしている」とチーム・ペンスキーの社長、ティム・シンドリックは語った。シンドリックは、レーストラックはテクノロジーの誕生の場ではなく、むしろテクノロジーを披露する場だと考えている。チーム・ペンスキーが全面的に採用している技術の一つが付加製造です。 Stratasys 3D プリンティングソリューションは、チームペンスキーのアイデアの現実化を加速しました。
シンドリック氏は次のように付け加えた。「この技術により、アイデアを最も信頼性が高く効率的な方法で、最短時間で実現することができます。これにより、より創造的な可能性が広がります。」これは当然のことです。チームペンスキーにとって、付加製造ソリューションは幅広い分野をカバーします。

「私たちは、2000年代初頭に風洞模型プロジェクトをサポートするために3Dプリントを使い始めました」と、チーム・ペンスキーの生産マネージャー、マット・ギンベル氏は語る。「それ以来、複合材部門の治具や固定具、洗浄用金型、レースカーの部品の製造に3Dプリントを使用しています。」

積層造形法の最大の価値の 1 つは、設計を印刷して調整することでアイデアの実現可能性を迅速に検証できることです。「我々はできるだけ早く車をアップグレードできるよう取り組んでいます」とチーム・ペンスキーの複合材エンジニア、アンドリュー・ミラー氏は語った。「3Dプリント部品により、複数の反復作業を迅速に行うことができ、多くの時間を節約できます。」

マット・ギンベル氏は次のように付け加えた。「もっと早く実現しなければ、他のチームに負けてしまう恐れがあります。3D プリントにより、こうしたアイデアを、他の製造方法では実現できないかもしれない部品に変えることができます。」

速度に加えて、FDM® と PolyJet™ の両方の付加ソリューションは、必要な精度と信頼性も提供します。「部品を製造する際、設計とその性能に自信を持っているので、レース会場に早く届けることができます」とアンドリュー・ミラーは語った。

工具から生産部品まで
インディカーの燃料プローブハンドルの再設計は、その好例です。このようなプローブハンドルは以前はアルミニウムで作られていましたが、重くて使いにくく、見た目も美しくありませんでした。チーム・ペンスキーは、より軽量で人間工学に基づいた流線型のデザインを考案しました。しかし、インディ500まで残りわずか数日だったため、従来の製造方法ではこれは不可能でした。代わりに、チーム・ペンスキーは、3D プリントされた複合金型と自己犠牲型テンプレートを活用し、Stratasys との協力により、レースに間に合うように 6 つの新しいプローブハンドルを製造することができました。「私たちはすべての部品を不具合や問題なく生産することができました。これは私たちの製造プロセスにとって大きな成果です」とミラー氏は語った。

3D プリントの用途が幅広いことを考えると、チームペンスキーにとって、3D プリントが最大の価値を提供できる場所を正確に特定することは困難です。マット・ギンベル氏は、3D プリントの最大の価値は、3D プリンターで直接作成したパーツをレースカーに使用できることだと考えています。同氏は、ドライバーに新鮮な空気を供給する一酸化炭素フィルターの開発を例に挙げました。「新しいデザインは、もともとカーボンファイバーで作る予定でしたが、これらのパーツを印刷してテストしたところ、デザインが優れているだけでなく、パーツの素材も非常に優れており、レースに完全に適していることがわかりました。」

付加製造はチーム・ペンスキーにとって目新しいものではないが、ギンベル氏は、3D プリンティングの可能性はまだほんの表面をなぞっただけだと考えている。「3D プリントは、レース業界にとってまだまだ発展途上であり、幅広い用途がある」とギンベル氏は言う。「3D プリントの潜在能力をまだ完全に理解している人はいないと思う。」

Tim Cindric 氏は次のように結論付けています。「通常、競合他社はすべて、同じ時点で同じソリューションにたどり着きます。しかし、当社は次世代ソリューションに移行する必要があり、Stratasys は次世代ソリューションに迅速に移行できるよう支援してくれました。」

ナイロン12カーボンファイバーがその威力を発揮チームペンスキーは、レーシングカーの迅速な反復と最終部品の製造において、ナイロン 12 カーボンファイバー材料の 3D プリントを含む Stratasys 3D プリント技術を使用しています。Stratasys のナイロン 12 カーボンファイバー材料の 3D プリント技術は、インディカーと NASCAR の両方のレーシングカーの製造に応用されています。

チームペンスキーは、NASCAR レースカー用にナイロン 12 カーボンファイバー製の 3D プリントバックミラーハウジングを製造しています。シェルは耐衝撃性と剛性に優れているだけでなく、軽量でもあります。この炭素繊維強化ナイロン素材の剛性は、薄肉部品の製造時に特に有利です。この素材で作られた部品は、空気力学的負荷を受けても曲がったり変形したりしないからです。

出典: Stratasys 3D プリンティング観察

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