シュタインバッハAGは、年間12,000個のセラミック3Dプリント部品を生産するダヴィンチ手術システムの量産ケースを開発しました。

はじめに： Steinbach AG は、積層造形技術を使用して高性能な工業用セラミック部品を大量生産する先駆者の 1 つです。同社が開発した複雑な構造のセラミックパイプライン部品は、外科用ロボット「ダヴィンチ」に採用され、成功を収めています。 Steinbach 社は、この単一のアプリケーションだけで、すでに年間 12,000 個の部品の生産量を達成しており、セラミック積層造形の分野における大手印刷サービスプロバイダーとしての地位を徐々に確立しています。

2017 年の夏、ドイツの Steinbach AG 社は、有名な外科用製品メーカーから、ガラス繊維を輸送するためのセラミックチューブを大量に製造してほしいという依頼を受けました。これらのセラミックチューブは、新しく開発された da Vinci ロボット手術ソリューションのガイド要素として使用されます (一般的なスタイルの 1 つを図 1 に示します)。オーストリアの Lithoz 社製の CeraFab 積層製造装置を使用して印刷された最初のプロトタイプ部品をテストした後、顧客は最終的に部品の開発と量産に Steinbach を選択しました。

図 1: da Vinci ロボット支援手術ソリューションの一般的なスタイル「The Patient Gart」(Intuitive surgical, inc. 提供)
これらの複雑なセラミックパイプは、積層造形によってのみ製造可能であり、他の従来の製造プロセスでは不可能です。同様の複雑さを持つ部品はこれまで製造されたことがなかったため、Steinbach は Lithoz の LCM 技術 (光硬化セラミック製造) を使用して、新しい革新的な設計を開発しました。この技術は、付加価値光重合 (VPP) プロセス (ISO/ASTM 52900 ガイドライン) として定義されています。

製造コストと開発サイクルについても非常に具体的な目標が設定され、製品はわずか 6 か月で量産されました。開発期間は厳しかったものの、Steinbach 社が Lithoz セラミック積層造形技術を使用して、生産規模を迅速に工業量産レベルまで拡大したことは称賛に値します。

図 2: Steinbach AG が da Vinci 外科用ロボット用に製造したセラミックプリントチューブの 1 つ (Steinbach AG/Lithoz GmbH 提供)
アイテムとパーツの主な特徴

Steinbach の具体的な目標は、提供される部品の一貫した高品質を維持し、設定されたコスト目標を達成しながら、生産プロセスのスケーラビリティを確保することでした。

使用要件を満たすには、このプロジェクトの曲げパイプ部分が 2 つの指定されたパラメータを満たす必要があります。まず、チューブの直径はロボットアームの設計によって決まり、チューブは破損することなく挿入されなければなりません。第二に、ガラス繊維の品質はロボットアームの機能性を保証するために非常に重要であり、内部断面積を決定する所定の臨界値を下回ってはなりません。しかし、顧客にとって最も重要な基準は、表面粗さを可能な限り低くすることでした。これは、ガラス繊維がパイプを通過する際に破れるリスクを最小限に抑えるためです。アプリケーションの特殊な要件により、これらのコンポーネントにはポリマー材料を使用できません。

当初は、金属管にガラス繊維を入れて機械的に曲げるという従来の製造方法が試されました。しかし、これらの試みでは、曲げによる機械的ストレスと内部チャネルの表面粗さにより、ガラス繊維が破れてしまいました。セラミック積層造形を使用する前、顧客は金属がすでに適切な材料であると考え、金属積層造形のプロトタイプを製造しようとしましたが、表面品質が要件を満たすことができませんでした。

顧客は、セラミック付加製造の調査と検証を決定した後、Steinbach に連絡しました。最初の試作後、完成したセラミック印刷部品は顧客の期待を上回る表面品質を実現できることが証明されました。 Steinbach 社が製造したセラミックプリントパイプを図 2 に示します。

Steinbach がプロジェクトを開始したとき、主な課題は大量生産注文の特定の寸法要件をいかに満たすかということでした。与えられた制約（直径と断面積）を考慮し、鋭い曲がりと複雑な内部プロファイルを組み合わせて、まったく新しいパイプ設計が開発されました。これにより、必要な最小壁厚はわずか 200 μm になります (図 3)。さらに、最大粗さ Ra = 0.4 の完全に滑らかな表面、外部形状の ±20 μm の高精度許容差、および年間 12,000 個の部品を生産する必要性は、Lithoz セラミック積層製造技術の革新的な可能性を最大限に活用することによってのみ、これらすべての要件を満たすことができることを意味しました。

顧客のコスト期待に応えるために、Steinbach は最初の部品で得られた優れた材料特性を大規模な連続生産能力に転用しました。実装は 3 つのフェーズで実行され、それぞれに独自の課題があります。この記事では、プロジェクト実施中の主要な基準である生産性、プロセスの安定性、品質保証、経済効率に焦点を当てます。

図3 積層造形された各セラミックチューブの最小壁厚は200ミクロンに達しなければならない（Steinbach AG/Lithoz GmbH提供）
フェーズ1: LCMテクノロジーを使用してコンポーネントの適切な設計を見つける

Steinbach は、複雑な形状を製造するために積層造形設計 (DFAM) アプローチを採用し、顧客と緊密に連携して、数千個のコンポーネントの連続生産中にチューブの完全な機能が維持されるようにしています。顧客にとって、完璧な機能性と精度を確保するために、部品が可能な限り多くの要件を満たすことが重要です。

この研究フェーズには、主に 3 つの特徴があります。

● 最低壁厚200μmを確保
● 大量生産のための脱脂および焼結プロセスの最適化 ● 100% の品質管理を確立し維持する能力

プロセスがクライアントと合意されると、プロジェクトは概念実証フェーズに移行します。この段階では、アプリケーションの検証のために 2 つの異なる長さのパイプが必要です。

LCM の技術的特性により、元の部品設計を調整する必要はほとんどありません。その結果、Steinbach 社は、付加製造プロセスそのものではなく、効率的な連続生産のためのワークフローの最適化にのみ重点を置く必要が生じたのです。

原則として、この段階では、曲面コンポーネント自体の設計は LCM テクノロジにとって小さな課題にすぎず、実装も比較的簡単です。デザインの曲がり、溝、角度は、印刷プロセスで追加の調整を必要としません。このようなプロジェクトでよくある困難は、非常に繊細で極薄のセラミック部品を細心の注意を払って取り扱うことですが、積層造形の迅速でカスタマイズされた生産特性のおかげで、この課題は構造設計を少し変更するだけで克服できます。

図4 Lithozセラミック印刷機の印刷プラットフォームの図（Steinbach AG/Lithoz GmbH提供）
シュタインバッハが直面した最大の課題は、曲げられたチューブに、ガラス繊維材料やセラミックチューブ自体に損傷を与えることなく、正確な量のガラス繊維を充填する必要があることでした。つまり、顧客は、曲げられたチューブ全体を、すでに完成した外科用ロボットアーム構造の所定の寸法内に取り付け、その断面がガラス繊維の品質と正確に一致することを確認する必要がありました。徹底的な調査とテストの結果、最小断面積が決定され、壁の厚さ 0.2 mm という設計要件が得られました。これらのパラメータ制約は、チューブ壁の最適化、つまりチューブ壁を損傷することなくチューブ壁の厚さを減らし、安定した連続的な生産プロセスを可能にする方法を見つけることに製品設計の焦点を当てています。したがって、壁の厚さはこのアプリケーションにとって最大の設計課題となり、最終的には概念実証段階の焦点となりました。

シュタインバッハ社は積層造形セラミック部品の熱処理において豊富な経験を蓄積してきましたが、経済的な実現可能性を確保しながら生産を拡大するには、処理プロセス全体を大幅に改善する必要があります。たとえば、形状や長さにわずかな偏差があっても部品を使用できないため、部品の廃棄を最小限に抑えるためには、チューブ曲げの位置と数を正確にバランスよく調整する必要があります。図 4 および 5 は、印刷プラットフォーム上でバッチで製造されたセラミック部品を示しています。

シュタインバッハは、最適化された加熱プロセスと曲線を使用して複数のテストを実施し、最終的に最適な熱処理方法を見つけました。セラミックエルボを垂直または水平に配置するさまざまな方法を試した後、短い部分を「うつ伏せ」に、長い部分を「仰向け」に配置するのが最適な配置であることがわかりました。最適な焼結バッチは、8 回の印刷ごとに 1 回焼結することです。

図5: 処理対象となる印刷部品全体（Steinbach AG/Lithoz GmbH提供）
概念実証段階のプロトタイプであっても、常に量産に近い条件下で機能性がテストされ、部品の品質が最初の反復から後の量産モードに対応できることが保証されます。部品の寸法を可能な限り正確に同じに保つには、製造中に極めて小さな許容誤差を維持する必要があります。

Steinbach は品質管理にも細心の注意を払っており、関連する要件を厳密に遵守しています。同社は、生産されるすべてのセラミックチューブ曲げに適用される 3 段階の品質検査プロセスを確立しました。

●部品の表面欠陥をチェックするための顕微鏡●正確な長さを測るためのノギス●変形をチェックするために顧客が用意したカスタマイズされた機器

プロトタイプのコンセプト検証段階で、Steinbach は製品設計にいくつかの変更を加えましたが、積層造形のデジタル製造プロセスのおかげで、簡単に素早く検証することができました。顧客は各プロトタイプ製品を受け取った後、正確なフィードバックを提供することもできます。検証印刷によって作成された各プロトタイプには 6 本の曲げパイプが含まれており、それらはすべて 7 週間の使用サイクルに耐える必要があります。したがって、反復テストのサイクル全体は比較的長く、完了した後にのみ、さらなる設計調整を行い、プロトタイプ部品の新しいバージョンを更新して製造することができます。

反復的な最適化の最初のフェーズには約 1 年かかり、顧客サイトでの最終的なプロトタイプ検証で最高潮に達し、積層造形部品の幾何学的設計が承認されました。

第2段階: 工業的大量生産

その後、Steinbach のセラミック AM チームは、品質の問題がなく、量産時に再現可能な部品パフォーマンスを確保するために、プロセスの詳細を最適化することに重点を置きました。この目標を達成するには、LCM テクノロジーの大きな可能性を最大限探求し、活用する必要があります。このフェーズでは、次の 2 つの機能に重点を置きます。

●ビルドプラットフォームからパーツを取り外しやすくするために、適切なビルドプレートコーティングを設定します。●後処理洗浄プロセスを最適化します。

ソフトウェア機能部分の最適化は、Lithoz との緊密な協力のもとで実施されました。最適化されたソフトウェア機能によって実現される高い精度と安定した再現性により、不良品の数も大幅に削減され、材料、時間、コストを大幅に節約できました。

図6 シュタインバッハ社のセラミック積層製造チーム。同社は4台のLithozセラミック印刷機を運用している（シュタインバッハAG/Lithoz GmbH提供）
量産化を実現するために、Steinbach 社は、プリントされた部品をビルドプラットフォームから取り外すための、より効率的で安全な方法を見つける必要がありました。 Lithoz 社が供給する 2 つの標準ベースコートをテストした後、生産仕様を満たしながら部品の後処理効率を大幅に向上させる新しい特定の 2 コートブレンドが開発されました。さらに、製造プロセス中の最適な設定条件を見つけるための体系的な調査が行われました（たとえば、最終部品が各熱処理後に変形しないように後処理時間を適切に延長しました）。

他のプロセスと同様に、セラミックエルボの洗浄も、プロジェクトの全体的なコスト管理レベルを満たす必要があります。最初はピンセットで手作業で掃除し、徐々にさまざまな洗浄剤を試しました。 Steinbach はすぐに部品の超音波洗浄の実験を開始し、超音波水槽の温度と処理時間を調整して最適なパラメータを取得し、よりコスト効率の高い洗浄プロセスを実現しました。

フェーズ 2 の終了時には、セラミックスラリーからトレイバッチ管理、AM 設計から周囲の湿度と温度レベル、プロセス後の熱処理まで、プロセス全体を正確に管理および制御できます。 Lithoz CeraFab のソフトウェアシステムを使用すると、各製造ステップのプロセスパラメータを詳細に記録できます。プロセス全体の最適化中に取得されたデータは、将来の改善と品質保証の分析の基礎として、また後続のプロジェクトで合理的な意思決定を行うための統計データの基礎としても役立ちます。システム全体が確立されると、このような文書はスタインバッハの製造サービスに関する社内標準としてアーカイブされます。

最終的に、プロセス最適化の第 2 フェーズにより、製造コストがさらに 40% 削減されました。このフェーズで最高レベルの効率性と最適化を達成した後、顧客はシュタインバッハ工場に案内され、2 日間にわたって部品の印刷、製造、処理が行われる生産プロセス全体を体験しました。この成功した生産プロセスが顧客に認証された後、顧客はプロジェクト全体の最終製品の品質と価格に満足の意を示し、第 2 フェーズも無事完了しました。

フェーズ3: 連続生産の継続的な最適化

注文を受けてから 6 か月後、Steinbach 社は最初の量産部品を予定通りに納品しました。プロセスが大量生産モードに設定されると、外科用ロボットに対する顧客の需要に基づいて、生産バッチの数は段階的なバッチではなく継続的に増加します。 2019年7月には販売台数の増加に伴い、年間生産台数12,000台に到達しました。

最初のシリーズ生産からフル生産能力に至るまで、Steinbach は段階的にパラメータをさらに最適化し、廃棄率をさらに削減することで、ユニットあたりの製造コストをさらに 40% 削減し、技術要件を満たす枠組みの中で製品のコスト効率をさらに向上させることができました。

量産プロセス中、Steinbach は厳格な 100% テストポリシーを順守しています。プロトタイプから量産まで、各セラミックエルボは、潜在的な変形を特定するための特定の長さでの前述のさまざまなテストを含め、完全な品質の提供を保証するために徹底的にテストされています。新しい設計調整はそれぞれ、最終サンプルの顧客承認が必要であり、その後のフィードバックは Steinbach セラミック付加製造チームによって速やかに対応されます。

製品プロセス全体を無傷で提供するために、Steinbach はこれらの非常に繊細なコンポーネントの物流を処理する独自のパッケージングソリューションを社内で開発しました。特別に設計されたキャリアにより、梱包プロセスが簡単かつ迅速になり、安全な輸送が保証されます。

プロジェクトは無事完了しました

スタインバッハは、セラミック積層造形部品の利益志向の生産を確立することで、理論から商業的実践へと決定的な一歩を踏み出しました。概念実証のプロトタイピングから工業用大量生産向けの LCM 技術の採用、そして量産におけるパラメータの継続的な改善まで、製造プロセス全体を継続的に最適化することで、Steinbach は、積層造形による高性能セラミック部品の量産モデルを開拓しただけでなく、バリューチェーン全体で期待される投資収益率 (ROI) を達成することに成功しました。

プロジェクトの成功に寄与した集中的な研究開発のおかげで、シュタインバッハプロジェクトは、高性能セラミックの付加製造の産業応用の優れた商業化例となることができます。このプロジェクトに続いて、Steinbach 社はいくつかの新規顧客注文を受け、いくつかの小規模パイロット生産に加えて、これらの注文の部品数量は年間 10,000 ～ 15,000 個の範囲です。

プロジェクト期間中、シュタインバッハ社のセラミック積層製造チームは、部品の設計から後処理、完成した焼結部品の出荷計画に至るまで、製造プロセスにおける完全な能力も獲得しました。その後の顧客も、Steinbach の豊富なプロジェクト経験、品質管理、パフォーマンス提供レベルから大きな恩恵を受けました。その後の量産セラミック積層造形部品の各種タイプを図7に示します。

図 7 この記事で言及されているセラミックエルボは、他のセラミック印刷部品とともに、Steinbach 社によって大量生産されています (Steinbach AG 提供)。この先駆的な探求は非常に成功しました。外科手術の技術的アップグレードの実現に貢献しただけでなく、セラミック積層造形プロセスチェーン全体にわたる重要なセラミック積層造形知識ベースの確立にも役立ちました。シュタインバッハ社が年間 12,000 個の部品を生産するという実績は、現在世界中の多くの顧客が幅広い用途の大量生産に使用している Lithoz CeraFab セラミック印刷システムの性能を証明しています。

シュタインバッハAGは、年間12,000個のセラミック3Dプリント部品を生産するダヴィンチ手術システムの量産ケースを開発しました。

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