ポンプおよびバルブ業界における 3D プリント技術のチャンスとは何でしょうか?

インターネット、ニューラルネットワーク、抵抗膜方式および静電容量方式のタッチスクリーン技術などのイノベーションにより、従来の技術やプロセスの発展に混乱が生じています。過去 30 年間で、付加製造としても知られる 3D プリンティングも製造業に革命をもたらしました。小さな釉薬をかけた陶器の破片から 3D プリントされた家まで、付加製造には幅広い用途があります。

3D プリンティングは、ラピッドプロトタイピング、ダイレクトデジタル製造、レイヤード製造、および添加剤の準備も含まれる付加製造の分野です。付加製造では、プラスチック、金属、コンクリート、そして将来的には人間の組織など、さまざまな材料を層ごとに追加することで、3 次元のオブジェクトを作成します。 CAD モデルが作成されると、積層造形装置はモデル内のデータをエクスポートし、必要に応じて粉末、ワイヤ、シートなどの材料を徐々に追加して、最終的に 3 次元オブジェクトを作成します。

積層造形の初期の応用は、3D プリントされた義肢や腎臓などのラピッドプロトタイピングと医療に限られていました。プロセスが進化し続けるにつれて、3D プリント技術はさまざまなエンドユーザー業界に革命的な変化をもたらしました。アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリビニルアルコールプラスチック（PVA）、ポリカーボネート（PC）、ナイロン、樹脂、ステンレス鋼、チタン、その他の金属材料など、さまざまな原材料の使用により、3Dプリント技術のさまざまなエンドユーザー産業への進歩がさらに促進されました。

プロセスと原材料の改善により 3D プリント技術の応用範囲が拡大し、3D プリント技術自体の基本的な動作原理により、製造業者は従来の製造プロセスに比べて大きな利点を得ることができます。

3Dプリント技術の利点<br /> 一般的に言えば、3D プリント技術の主な利点としては、複雑な形状の部品の加工が容易であること、製品の発売が迅速であること、製造コストが削減されること、パーソナライズされたカスタマイズとリスク移転などが挙げられます。

3D プリントでは複雑なデザインの部品や製品を製造できるため、コンピュータ支援設計 (CAD) 図面を 3D プリンターに接続することで、製造業者は複雑な形状に合わせて材料を層ごとに追加することができます。フライス加工、旋削加工、穴あけ加工などの従来の加工工程が不要になり、CNC工作機械、レーザー切断、電気化学腐食などの高度な加工技術も不要になります。また、設備の生産準備時間とバッチ変更時間も大幅に短縮されます。従来は組立ラインで生産するのに数週間かかっていた部品や製品が、3D プリント技術によってわずか数日で完成できるようになりました。さらに、従来の製造プロセスと比較して、3D プリント技術により金型の製造時間も 30% ～ 50% 短縮されます。

コストの観点から見ると、3D プリント技術では、従来の製造で必要だったさまざまな高価な部品が不要になります。金型コスト、生産準備コスト、人件費、原材料やスクラップの無駄も、3D プリントによって回避されます。さらに、3D プリント製品のスクラップコストは低いため、メーカーにとってラピッドプロトタイピングのコストリスクが大幅に軽減されます。

3D プリンティングは、その明確な利点により、さまざまな最終用途産業のメーカーによって、さまざまな程度で生産に使用されています。現在、ヘルスケア業界における 3D プリントの応用は、依然として義肢や臓器のプリントに限られていますが、自動車、航空宇宙、建設などの業界では、3D プリント技術を当初のラピッドプロトタイピングから最終製品の製造にまで拡大しています。しかし、ポンプやバルブなどの成熟した業界では、最近まで 3D プリント技術の導入に積極的ではなく、3D プリント技術の応用可能性を検討し始めたのはごく最近のことです。

ポンプ・バルブ業界が3Dプリント技術の導入を急がない理由

ポンプおよびバルブ業界では、3D プリント技術をフル活用するための障壁がまだ存在しており、この技術の応用が遅れています。プロトタイプ製造における 3D プリント技術の限界に加えて、材料選択の制限、スケールメリットの欠如、知的財産侵害やネットワークセキュリティのリスクなど、ポンプおよびバルブ業界での 3D プリント技術の適用を制限する他の要因もあります。

当初、3D プリントの材料は、アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)、ポリビニルアルコール (PVA)、ポリカーボネート (PC)、およびその他の種類のプラスチックや樹脂に限定されていました。これらの原材料は、流体のアルカリ度、蒸気圧、動作温度、およびポンプやバルブの動作条件におけるその他の要因に耐えるのに必要な機械的特性を欠いており、ポンプやバルブの製造業者による 3D 印刷技術の使用が制限されています。

第二に、ポンプやバルブの中規模から大規模生産に従事するメーカーにとって、従来の製造技術には規模のメリットがあります。これはまた、3D プリント技術がプロトタイプの作成、または交換用の製品や部品の製造にのみ使用できることも意味します。

さらに、3D 印刷技術は、CAD ファイル、オンライン設計、3D 印刷会社へのファイル送信などのデジタル情報に大きく依存しており、データの盗難や知的財産権の侵害の機会が生じます。成熟したポンプおよびバルブ業界は、技術的優位性を通じて競争力を獲得することを積極的に模索しており、競合他社や業界内の他の企業に技術的競争力がさらされることへの懸念が、3Dプリント技術の応用を妨げていることは間違いありません。さらに、ステレオリソグラフィー（SLA）、熱溶解積層法（FDM）、選択的レーザー焼結法（SLS）などの3Dプリントプロセスの特許ライセンスは、それぞれ2004年、2009年、2014年に期限切れとなり、ポンプやバルブのメーカーは、この技術は利益の出る投資ではないと考えている。

ポンプやバルブのメーカーが 3D プリント技術を採用する機会は何でしょうか?
プロセスと原材料の機械的特性を最適化することで、3D プリント技術はすでにポンプやバルブの製造業者の要件を満たすことができます。複雑な形状、高いエネルギー効率、高いコスト効率を備えた製品に対する市場の需要により、ポンプやバルブのメーカーも 3D プリント技術の利点の検討を検討するようになりました。さらに、過去数年にわたり、3D プリント技術は継続的な技術進化を通じてその限界を克服し、ポンプおよびバルブ製造業者に新たな機会をもたらしました。

最初のステップは大量生産を実現することです。大量生産はかつて3Dプリンティング技術市場への参入障壁となっていましたが、複数の小さな部品を1つの大きな部品に統合して生産することで、サプライチェーンに革命をもたらしました。たとえば、16 個の部品からなるヘリコプターのエンジンは、3D プリント技術を使用して印刷できますが、従来のプロセスでは 900 個の部品を製造する必要があります。

第二に、知的財産保護の面でも進歩がありました。 3D プリント CAD ファイルを保護することは、製造会社にとって非常に重要です。 CAD ファイルや設計自体を保護する方法はいくつかあります。これには、3D 印刷サービスプロバイダーとの情報セキュリティに関する NDA (秘密保持契約) 文書への署名が含まれ、さまざまな特許法や著作権法により、エンドユーザーにデザインや印刷物に対する特許および著作権保護を提供できます。

数十年にわたって使用され、設計図が失われている古いポンプの場合、リバースエンジニアリングによって必要な製品を再製造することができます。

通常、ポンプの耐用年数は 15 ～ 20 年です。どうやら、一部のエンドユーザーは現在、数十年前のポンプを運用しているようです。 3D プリント技術は、特にポンプの元の設計図が失われた場合に、リバースエンジニアリングに役立ちます。 3D スキャンテクノロジーにより、エンドユーザーは製品をスキャンし、CAD 設計ドキュメントを取得して、3D 印刷サービスプロバイダーに印刷してもらうことができるため、必要な製品、スペアパーツ、コンポーネントを製造できます。

油圧分野における3Dプリント技術の応用<br /> 高圧の問題により、油圧分野での金属 3D プリント技術の広範な応用が妨げられてきましたが、設計の観点から見ると、一部の特殊な用途では依然として 3D プリント部品の助けを借りてメリットを得ることができます。

油圧技術の主な利点は、その高い出力密度です。油圧ポンプは通常、駆動モーターのサイズのほんの一部に過ぎず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンよりもさらに小さくなります。しかし、油圧ポンプのより大きな利点は、アクチュエータと組み合わせることで、油圧シリンダーは直径がわずか数インチであっても、数千ポンドを持ち上げたり、岩やコンクリートを粉砕したり、高強度鋼を強固な部品に鍛造したりする力を生成できることです。

油圧システムのもう一つの利点は、方向、速度、トルク、力を制御できることです。これは、単純な手動バルブであっても、高度な電子制御の自動バルブであっても当てはまります。これまで、電子制御油圧バルブは進化を続けてきましたが、バルブ自体の製造工程はあまり変わっていませんでした。しかし、現在、この状況は変わりつつあります。

カートリッジバルブテクノロジーは、複数の制御機能を 1 つのマニホールドに統合するために広く使用されています。バルブ、ホース、コネクタを一直線に設置する従来の方法と比較して、複数のバルブをマニホールドにグループ化すると、スペース、重量、コストを大幅に節約できます。ただし、カートリッジバルブとマニホールド (統合油圧回路) のスペースと重量を節約する利点は改善できます。これは、マニホールド内の多数のチャネルが交差して掘削されるのを防ぐように配置する必要がある一方で、十分な強度を確保するために、異なるチャネル間に十分な材料を提供する必要があるためです。

3D プリントは、配置する必要のある循環ダクトの位置、形状、サイズを正確に決定することで、これらの制限を克服します。つまり、従来のマニホールドよりも正確に流路を機器の近くに配置できるため、最終部品がよりコンパクトで軽量になります。さらに、2 本以上の内部パイプを接続する通路をマニホールドの外側から機械加工する必要がないため、液体の漏れを防ぐために後でプラグを塞ぐ必要がなくなります。

ただし、3D プリントは多様体の使用に限定されません。バルブ部品自体も 3D プリントの恩恵を受けています。たとえば、バルブ本体には、主に工作機械が回転する切削工具を使用するため、環状の流路が含まれることがよくあります。円形の流路を正方形の断面に置き換えると、正方形の面積は同じ幅の円よりも大きいため、流量が 20% 増加します。

応用事例<br /> この 3D プリントされた油圧バルブ本体はステンレス鋼で作られており、単一の作動シリンダーを制御するために使用されます。このプロセスでは、コンピューター制御のレーザークラッディング技術を使用して、ステンレス鋼の粉末を溶かして層ごとに積み重ねます。

Aidro SrL は、従来型および 3D プリントの油圧コンポーネントの設計と製造を専門とするイタリアの企業です。ゼネラルマネージャーの Alberto Tacconelli 氏は、3D プリントされた部品は特殊な用途に最適であると考えています。「付加製造技術は、より小型で軽量な部品や製品をカスタマイズして製造するために使用することができ、効率や性能は従来の技術で製造された油圧部品よりも高いことがよくあります。」

付加製造は、必要に応じてより複雑な内部構造の特徴やチャネルを生成できるため、マニホールドの設計と製造に適しています。バルブ本体の内部通路が最適化され、より小さなスペースでより高い流量を実現しました。さらに、追加の掘削が不要なので、漏れがなくなります。

3D プリンティングは従来の製造技術に制限されず、従来とは異なる形状の部品を製造できます。利点は、このような角型ポートバルブコアコンポーネントは、同じ幅の丸型ポートバルブコアよりも高い流量を実現できることです。

油圧分野における 3D 印刷技術の主な利点は、従来の技術では実現不可能なコンセプトを実現できること、重量、スペース、材料を節約できること、新しい構造を取得してライン接続の複雑さを軽減できること、ラピッドプロトタイピング (同じプロジェクトで複数の異なるプロトタイプを作成可能)、短い製造時間 (数日ではなく数時間で完了)、さまざまな材料を選択できること (AISI 304 および 316L ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウムとチタンの合金、および開発中のその他の材料)、高性能で潜在的な漏れのリスクを排除できることです。

出典: モダンレーザーインダストリー

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