積層造形の6つの設計要素 - 製造コストを削減し、効率を向上させる方法

3D プリンティング技術は、金型コストの削減、材料の削減、組み立ての削減、研究開発サイクルの短縮によって、企業の製造コストを削減し、生産効率を向上させることができます。では、3Dプリント本来の設計思想や製造コストの管理手法をそのまま3Dプリントの積層造形法に移行することで、3Dプリントのメリットを引き出せるのでしょうか？企業は 3D プリント技術に直面したとき、3D プリントが製造コストに与える影響に重点を置いていますか、それとも全体的な状況に注目しますか?

次に、米国の大手3Dプリントサービス企業であるProto Labsのアプリケーションエンジニアがまとめた積層造形の6つの設計要素を組み合わせて、3Dプリントによってもたらされる追加の製造コストを削減し、企業の製造コストを削減して全体的な利益を向上させる上で3Dプリントの利点をよりよく発揮する方法を分析します。

--1. 設計を最適化する 適切に設計された 3D プリント部品は、隣接する表面間の緩やかな遷移の使用、断面積と部品の体積の大きな差の回避、完成したワークピースに残留応力を生じさせる鋭角の回避、サポートされていない薄肉構造が高くなりすぎないようにする (高くすると歪む) など、射出成形と同じ原則の多くに従います。詳しくは、次の資料を参照してください: 金属 3D プリント - 積層造形設計ガイド (パート 1)

--2. 伝統を捨てる 典型的な 3D プリント部品は、ハニカム構造や複雑な格子構造などのバイオニック設計になっていることがよくあります。より軽量で強度の高い部品が作成できるのであれば、このような構造を設計に使用することをためらわないでください。

従来の製造方法で部品に穴を開けると必然的に材料の無駄が増え、コストが増加するため、設計に穴のような構造を使用することを嫌う必要はありません。

ただし、積層造形、特に選択的レーザー溶融金属 3D 技術を使用して円形の穴を製造する場合、穴のサポート構造を追加するかどうか、下面の変形の可能性などを総合的に考慮する必要があることに注意してください。場合によっては、円形の穴の代わりに涙滴型または六角形の穴構造を使用することを検討する方が、より良い設計アプローチになります。以下の拡張資料を参照してください: 金属 3D プリント - 積層造形設計ガイド (パート 2)

--3. 部品の量産化に向けた製造方法を総合的に検討する
3D プリント技術は自由なモデリングを実現できるため、部品設計に革新の余地が大きく広がります。たとえば、3D プリント技術では多数の穴構造を持つ部品を製造できますが、だからといって部品を必ずこのように設計しなければならないというわけではありません。

これは、多くの企業が3Dプリント技術が部品の小ロット生産に有効であることを認識しているが、企業が要求する生産量が大幅に増加すると、機械加工や鋳造などの従来のプロセスへの転換を検討する必要があるためです。この場合、設計者は、将来部品が量産されるときに使用する製造プロセスが、設計計画をうまく実行できるかどうかを設計の初期段階で総合的に検討し、設計中にトレードオフを行う必要があります。

設計サイクルの早い段階で製造性を考慮した設計 (DFM) 分析を実行することは、部品のライフサイクル全体にわたってコスト効率の高い生産を確保するために重要です。

--4. 印刷後の二次作業を削減 一部の 3D 印刷プロセスでは、印刷された部品が反ったり曲がったりしないように、サポート構造を追加する必要があります。たとえば、選択的レーザー溶融装置を使用して金属部品を加工する場合、通常は張り出した構造にサポートを追加する必要があります。また、ステレオリソグラフィー (SLA) 3D 印刷では、サポート構造を追加する必要がある場合もあります。

印刷中に形成された金属サポート構造は、印刷が完了した後に機械加工によって除去する必要があり、プラスチックサポート構造はハンドヘルドサンダーで除去する必要があります。しかし、どのようなサポート方法を使用したとしても、コストが増加し、製造サイクルが遅れることになります。そのため、設計時には、部品にサポート構造を極力追加しないように、設計の変更や部品の配置の変更などを検討する必要があります。

--5. 寛容さを守る 金属部品の公差要件を満たすには、機械加工などの二次加工が必要になる場合があります。しかし、公差要件を過度に追求すると、3Dプリント部品の設計や製造に影響を及ぼします。たとえば、精度を過度に追求して印刷層の数を増やすと、印刷時間と印刷コストが増加します。さらに読む: 金属 3D プリント部品の加工における課題と解決策、3D プリント後処理の「入り口」

適切な設計戦略を採用すれば、印刷後の処理の必要性を減らすことができます。たとえば、張り出した構造面 (下面) は、垂直の壁や上向きの面よりも表面仕上げが劣る傾向があります。詳細な特徴を最高の精度で作成したい場合は、設計時にこれらの特徴をパーツの上面に配置するのが最適です。

--6. 全体的な状況を考慮する 3D プリントの材料費と設備費は、成熟した従来の製造プロセスよりも高くなりますが、それによって躊躇する必要はありません。

3D プリント部品を設計する際には、複雑な軽量構造と機能統合部品の実現における 3D プリント技術の利点をしっかりと把握し、部品設計の最適化における 3D プリントの役割を最大限に刺激するように努める必要があります。さらに読む: 3D プリントで軽量化を実現する 4 つの方法

言い換えれば、3D プリント技術に直面する際に、この技術が製造コストに与える影響だけに焦点を当て、製品のデザインや機能、サプライチェーンの再構築におけるこの技術の可能性を無視すると、3D プリントによって生み出されるより包括的なメリットを逃してしまうことになります。出典: 3D Science Valley

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