格力電機、3Dプリント技術がモジュール式エアコンの開発に与える影響

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-4-20 11:37 に最後に編集されました。

従来の減算製造技術や等材料製造技術と比較して、3D プリント技術は、無制限の成形能力、迅速な製造、材料の節約により、日常の電気製品、航空宇宙、建設、自動車、医療機器などの分野で急速に発展しました。 3Dプリント技術の発展に伴い、モジュール式エアコンの生産・製造技術も必然的に変化し、カスタマイズ製品としてのモジュール式エアコンは特に3Dプリント技術に適しています。

従来の製造業の問題点 複合エアコンはセントラル空調システムの重要な部分です。その機能は、空気を冷却、加熱、加湿、除湿、浄化、ろ過することです。複合空調機は、ユニットの使用シナリオと、風量、静圧、機能要件、制御要件、部屋の設置サイズ制限などの顧客要件に基づいて開発された製品です。従来の開発プロセスを図 1 に示します。
製造段階では、従来の製造活動モデルを図2に示します。このプロセスは、原材料またはブランクを購入し、エネルギー駆動の加工設備とツールを使用して原材料またはブランクの幾何学的形状または物理的および化学的特性を変更し、加工部品と購入した部品を組み立てて最終的に製品を形成することです[3]。現在、より顕著な問題は主に部品の加工と製品の品質に反映されています。
1.1. 部品加工 大量生産され、大規模で、標準化された製品生産環境では、ユニットのカスタマイズされた性質により、モジュール式空調ユニットは特に「非社交的」に見えます。モジュール型エアコンはオーダーメイド製品のため、大量生産はできません。そのため、部品加工には金型は使用できず、CNC加工のみとなります。部品処理フローを図3に示します。
この処理技術には明らかな欠点があります。

1.1.1. 処理手順が複雑である 図2の加工フローからわかるように、加工技術の制限により、部品加工は複数の加工ステップを経る必要があり、各ステップには1つ以上の加工設備が必要になる場合があります。たとえば、板金構造部品の曲げ、引き伸ばし、折り曲げ、フランジ加工などの成形工程に必要な設備はすべて異なります。

1.1.2. 処理装置の制約設計と製造 設備の加工能力を超える特殊な形状や大きさの部品については、設計者が部品を分解し、溶接などの加工方法を用いて組み立てる必要があります。その結果、部品の構造強度が低下し、組み立て工程が増加します。

1.1.3. 材料利用率が低い 部品のバッチサイズが小さく、部品に応じて原材料を標準化できないため、材料の利用率が低くなります。表1に示すように、あるメーカーの年間を通した材料消費統計によると、モジュール型エアコンの主要材料である板金の利用率はわずか86.5％であり、材料の廃棄量が非常に大きい。
このことから、企業が迅速な製品開発を実現したい場合、すべての部品を自社で製造する必要があることがわかります。部品を自社で製造するには、大量の専門加工設備を購入し、工場を建設する必要があります。明らかに、コストが大幅に増加します。特化生産（つまり、異なる部品を異なる専門メーカーが生産する）は問題を軽減できますが、企業の利益も薄まります。

1.2. 製品の品質が低い 密閉性能、断熱性能、清潔さは、コンバインドエアコンの品質を測る重要な指標です。現在、複合空調ユニットでは空気漏れと結露が慢性的な問題となっており、十分に制御できていません。具体的な理由は次のとおりです。

1.2.1. 製造技術の限界 既存の処理技術の欠点により、空調キャビネットを複数の種類の部品に分割する必要があります。現在、エアコンボックスにはフレーム付きとフレームレスの 2 種類があり、それぞれのエアコンボックスには長所と短所があります。

フレーム付きエアコンボックスは、図4に示すように、フレームプロファイル、断熱パネル、断熱ストリップ、シーリングストリップなどの部品で構成されています。その欠点は、フレームの耐冷橋性能が高くないこと、断熱パネルとフレームプロファイルの接触面とフレームプロファイルの接合部のシーリングを制御することが難しいこと、組み立て手順が面倒で生産効率が低いなどの問題もあります。

フレームレス空調ボックスの基本構造には、フレームプロファイル、断熱パネル、断熱ストリップ、シーリングストリップなどのコンポーネントが含まれます。違いは、図5に示すように、フレームプロファイル、断熱ストリップ、シーリングストリップが断熱パネルに統合されていることです。断熱パネルを重ねて空調キャビネットを組み立てると、組み立て工程が削減されるものの、断熱パネルを重ねてキャビネットを形成する際に、断熱パネルの重なり部分の断熱効果や密閉効果を制御することが難しいという欠点がある。

1.2.2. 製品はかさばります 製品サイズが大きいため、輸送条件や設置できる機械室の大きさに制限があります。パッケージエアコンは複数の物理的なセクションに分けて出荷するか、コンポーネントをプロジェクト現場に輸送して設置する必要があります。プロジェクト現場の制限、過酷な建設環境、専門外の設置担当者などの要因により、物理的なセクションを接続するときに、接続部の耐冷橋およびシーリング対策が制御されないことが多く、ユニットのシーリングおよび断熱性能が保証されません。

3Dプリント技術の有益な効果
2.1. 制限のない設計 従来の製造プロセス技術と生産設備により、製品設計が制限されることがよくあります。 3Dプリンティングは、積層加工と重ね合わせ成形という製造方法を採用しているため、製品の製造難易度は構造の複雑さに制限されなくなります。 3D プリントは、規則的な形状の部品や製品を印刷できるだけでなく、複雑な構造的特徴を持つ部品や、規模が大きすぎる部品、従来の加工方法では加工できない部品も簡単に加工できます。 3D プリント技術の無限の製造能力により、設計プロセスは完全に解放されます。製品設計は製造中心ではなく、製品の性能に重点を置くようになります。さらに、インテリジェント設計技術の適用により、設計プロセスで巨大な部品データベースや部品プログラムデータベースを構築する必要がなくなりました。

2.2. 製品開発プロセスの変更
2.2.1. 製品製造モデルの変更 製造工程では、部品加工と製品組み立てを組み合わせて行います。 3Dプリンティングでは、部品製造における煩雑な製造工程が不要になるほか、さまざまな組み立て方法を経てユニットに部品を取り付ける必要もなく、製品の機能や組み立て関係に応じて部品を直接プリントすることができます。印刷工程は部品加工工程であると同時に製品組み立て工程でもあります。製品の製造工程は原材料調達と部品加工になります。

2.2.2. 製品の輸送と設置の手順を省く 製品製造リンクの簡素化により、製品製造では、多数の特殊な生産設備や生産工場の構成、および多数の共同作業が不要になり、代わりに製品製造がエンジニアリングサイトに移行されます。図 6 に示すように、原材料は建設現場に輸送され、3D プリントによって製品が製造され、設置されます。
製品開発プロセスを変えるための前提条件は、インテリジェントな設計と製造を実現することです。現在、製品モジュール設計とパラメトリック設計に基づく方法は、インテリジェント設計とインテリジェント製造を実現することができ、その基本的なプロセスを図 7 に示します。製品がモジュール化された後、CAD ソフトウェアでパラメトリック方式を使用してモジュール部品を設計します。モデルの寸法は固定値として表現されるのではなく、パラメータとして表現されるようになりました。設計要件は製品パラメータに変換され、ヒューマンコンピュータインタラクションインターフェースを介して部品パラメータとアセンブリパラメータに変換され、CADソフトウェアにインポートされます。部品モデルとアセンブリモデルは、パラメータ駆動型の方法によって生成され、インテリジェントな設計を実現します[4]。次に、パラメトリックプログラミングを通じてモデルパラメータが印刷装置に送信され、最終的にインテリジェントな製造が実現されます。

そのため、3D プリントは製品開発プロセスを変えて生産効率を向上させるだけでなく、部品加工設備、製品組み立て作業員、生産工場を削減して企業の生産コストを削減することもできます。

2.3. 製品品質の向上 複合エアコンの空気漏れや結露などの慢性的なトラブルを解消します。 3D プリント技術の使用により、ボックス構造は従来のフレーム構造ではなく一体型構造になり、構造がシンプルで合理的になり、機械全体のコールドブリッジ係数が低くなり、密閉性能が向上し、ボックスの内壁がより滑らかできれいになります。

3Dプリント技術で実現した一体成形エアコンボックス本体を図8に示します。ボックス本体は、図9に示すように、外側の断熱層、構造補強層、内側の断熱層に分かれています。外断熱層と内断熱層は2つの独立した断熱層です。外断熱層はエアコンボックスの外部の熱エネルギーがボックス内に入るのを防ぎ、内断熱層はユニット内の熱エネルギーがボックスの外部に伝わるのを防ぎます。構造補強層は外断熱層と内断熱層の間の隙間に配置され、外断熱層と内断熱層の間の熱交換を遮断すると同時に、外断熱層と内断熱層を支持・連結し、ボックスの強度を向上させることもできます。

熱断熱層は、外側の熱断熱層と内部熱断熱層に分割され、構造補強層が外側の熱断熱層と内側の熱断熱層の間のギャップに配置されます。エアコン型の断熱層と内側の熱断熱層の凝縮は、ボックスアセンブリの生成を避けるために、エアコン式の断熱材の成形をより良くしますエアコンユニットのコンポーネントは、内側の熱断熱層に埋め込み、内部の熱断熱層が成形されている間に内部成分を固定できますが、コンポーネントとボックスの間のギャップが排除され、空気の漏れが回避され、ユニットの清潔さが改善され、ユニット全体の構造強度が強化されます。

3D プリント技術のボトルネック 現在、金属材料やポリマー材料の3Dプリント技術に関する研究は盛んに行われており、実用化も多数行われている[5]。そのため、金属材料やポリマー材料で作られたユニットの一部の部品は、3Dプリント技術によって製造することができる。しかし、複合エアコンの保温と結露防止を実現する重要なバリアである断熱材は、3Dプリントではあまり進歩していません。断熱材は、モジュール式エアコンの 3D プリントにおけるボトルネックの 1 つになっています。現在の断熱材の中で、ロックウールは、低密度、低熱伝導率、不燃性、高融点などの優れた利点を有しており[6-8]、図10に示すように金属材料と印刷して断熱層を形成するのに非常に適しています。しかし、それを技術的にどう実現するかということも、研究する価値のあるテーマです。

現在、より成熟した 3D 印刷方法は単一材料印刷であり、複数のプリンターを連携させることはまだできないため、生産効率は高くありません。群ロボットによる製品の集団印刷と製造は、3D プリントの効率を向上させる重要な手段です。これは、ミツバチのように協力してタスクを実行する 3D プリンターのグループです。このように、プリンターのサイズは製品のサイズに依存せず、プリンターのインテリジェンス要件を大幅に削減できます。この自己組織化および自己調整型のグループインテリジェンス手法は、人工知能の現在の研究方向でもあります。

多くの業界や分野で3Dプリント技術の応用に関する研究が盛んに行われ、実用化されています。複合空調業界では、一部の部品の製造には既存の成熟した技術を活用できますが、3Dプリントに適した断熱材、ロックウールを引き続き使用するか、他の種類の材料を開発するかなど、さらなる研究に値する側面がまだ多くあります。これには長い道のりが待ち受けていますが、破壊的な新興製造技術として、3D プリントの利点は明らかです。

著者: 趙東東（珠海格力電器有限公司）
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