マテリアライズ、金属3Dプリントのグリッパー設計の最適化を支援

出典: マテリアライズ

生産ツールは、積層造形 (AM) が真価を発揮するアプリケーションの 1 つです。この再設計されたグリッパーは、その完璧な例です。グリッパーは、軽量の円筒形の物体を持ち上げる量産システムで使用されます。 Materialise は顧客と緊密に協力してグリッパーを再設計し、いくつかの重要な改善を実現しました。その一つは、各グリッパーの製造コストを半分に削減できることです。

▲ 3Dプリント用のお客様の設計お客様のグリッパーはもともと従来の生産ツールを使用して製造されていました。互いに交差して必要な内部通路を形成するように、異なる方向からいくつかの直線の穴が開けられ、開口部は空のプラグで密閉されました。部品コストのさらなる増加を避けるため、顧客はクランプの容積を減らすことになるさらなるフライス加工作業は行いませんでした。

顧客は以前にもプラスチック部品の積層造形の経験があり、特に生産ツールに関しては AM のコストと効率のメリットを認識していました。しかし、グリッパーを再設計する前に、まず 3D プリントが必要かどうかを検討する必要がありました。グリッパーの要件と 3D プリントの可能性を比較すると、明確な結果が浮かび上がりました。3D プリントにより、グリッパーの製造コストを削減し、グリッパーの重量を軽減して動きを高速化し、グリップサイクルを短縮できるほか、グリッパーの真空分布が改善され、誤検出も減少します。 AM の設計の自由度により、上記の目標をすべて達成できます。

お客様が選んだ素材はアルミニウムでした。一方、金属はプラスチックよりも軽く、耐摩耗性に優れています。一方、滑らかで清掃しやすい表面が形成されるため、製造中に器具を清潔に保つことが容易になります。さらに、アルミニウムは、高価値で少量生産される小型および中型部品に使用するのに経済的に適しています。

顧客は独自の AM 開発と設計を完了した後、Materialise に製造を依頼したいと考えています。当社の設計およびエンジニアリングチームは、設計をさらに改善できる点にすぐに気付きました。顧客独自の設計により部品の重量は大幅に軽減されましたが、従来の製造方法よりも製造コストが高く、内部チャネルは空気力学的に最適化されていませんでした。

▲ Siemens NX Realize Shape モジュール顧客の同意後、当社のエンジニアは設計のさらなる最適化を開始しました。自由形状モデリングを可能にする Siemens NX Realize Shape を使用して再設計されました。専門家は、Magics ソフトウェアのプレビュー機能を使用して印刷プロセス中にジオメトリも最適化しました。この機能は、選択した方向でコンポーネントに必要なすべてのサポート領域を表示し、コンポーネント内にサポート構造が必要ないことを保証します。この取り付け配置により、設計チームは必要なサポート構造の量をさらに削減し、クランプ領域の接触面の品質を最適化することができました。新しいバージョンの設計により、クランプポイントでの真空の均一な分散が保証され、シリンダーのより効率的なクランプが可能になります。
図 01: Materialise Magics のプレビュー機能。必要な最小限のサポートが表示されています (左)。また、サポートされていないチャネルが部分的に表示されています (右)。
次に、Materialise のエンジニアリングチームは、材料の厚さの遷移領域を滑らかにして、コンポーネント内の張力線を減らしました。張力線はコンポーネントの外観だけでなく、最終部品の機械的特性にも影響を与える可能性があるため、これは重要です。

このようにして、コンポーネントの全体的な体積と重量が最小限に抑えられます。金属切削プロセスとは異なり、3D 金属プリントでは未使用の材料のほとんどを回収して直接再利用できるため、材料コストが直接削減されます。したがって、コストは、コンポーネントとサポート構造に実際に必要な材料に対してのみ発生します。サポートの量が少なく、重要でない領域でのコンポーネントとの接触面が最小限に抑えられているため、印刷後の取り扱いも容易になります。これにより、顧客はサポート構造を簡単に、かつ時間を節約しながら取り外すことができます。最後に、組み立て用のねじを切るだけです。

顧客のオリジナルの 3D プリントモデルと比較すると、この設計では時間とコストの面で大きな利点があり、各ビルドのコンポーネントの数は 28 個から 46 個に増加しました。コンポーネントの新しい形状により、ビルドプラットフォーム上での配置がより効率的になり、単価も下がります。

▲ 図 02: グリッパーの吸引エリアの図 ▲ 図 03: 3D プリント用に最適化されたグリッパー元のツール、最初の 3D プリントモデル、および最終設計の体積と製造コストを比較すると、設計の最適化で大きな進歩があったことがわかります。顧客の初期設計モデルは元のツールよりもすでに 79% 小さくなっていましたが、Materialise が最適化したグリッパーは元のコンポーネントの体積のわずか 6% になりました。 Materialise バージョンの部品あたりのコストも 150 ユーロに削減され、顧客の最初のバージョンの設計の製造コストは 6% 高くなります。

全体として、グリッパーの例は、積層造形と最適化された積層設計を使用して、より安価で軽量で、機能的に最適化された生産ツールを実現する方法を示しています。この例は、再設計されたツールの品質がプロジェクトの収益性に決定的な影響を与えることも示しています。これらの劇的な改善を考慮して、顧客は将来的に最適化された 3D プリント設計でグリッパーを製造することを決定しました。

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