スポーツカー部品の 3D プリントで各リンクのコストを削減するにはどうすればよいでしょうか?フラウンホーファー研究所が答えを持っている

はじめに:自動車業界は、積層造形を採用している多くの業界の 1 つであり、現在この技術をさまざまなアプリケーションに使用しています。しかし、これまでのところ、3D プリンティングでは部品コストを十分に低く抑えながら従来の自動車生産技術のスループットを提供できていないため、多くの使用事例は小ロットに限定されています。

2022年1月25日、Antarctic Bearは、フラウンホーファー積層造形技術研究所（IAPT）が高級スポーツカーのドアヒンジを再設計することで、3Dプリントが技術性能と製造コストにどのように役立つかを実証したことを知りました。

この部品再設計プロジェクトでは、IAPT のエンジニアがドアヒンジの形状、構築方向、プロセスパラメータなどすべてを最適化し、コストと重量の節約を最大化しました。

IAPTは、自動車業界の日常業務で3Dプリンティングがますます使用されるようになっていることから、このプロジェクトの結果は自動車業界の量産にとって良い前兆となると述べた。

△3Dプリントされたドアヒンジ、写真はFraunhofer IAPTより
自動車生産の簡素化

フラウンホーファーのプロジェクトは、3D プリント技術が現在自動車分野で十分に活用されておらず、より大規模な量産アプリケーションがまだ計画中であることを示しています。

現在、自動車分野における 3D プリント技術の応用には主に次のものが含まれます。

① 新モデルの研究開発段階には最大 5 年かかることがあるため、迅速なプロトタイピングが必要です。研究開発プロセスでは、複数の部品プロトタイプの開発とテストが不可欠であり、迅速な設計反復と最短納期が求められます。これは、積層造形の主なセールスポイントの 1 つです。

② 3Dプリントを使用して固定具などのツールを製造し、生産および組み立てワークフローを支援します。アフターマーケットで廃れてしまった部品を作る用途もあるかもしれません。 3D プリントにより、部品サプライヤーはオンデマンドで印刷できるようになり、部品在庫を保持する必要性が完全になくなります。

先月、スポーツカーメーカーのポルシェは、自社の製造業務に3Dプリントを導入するさらなる方法を模索するため、3DプリンターメーカーのINTAMSYSに戦略的投資を行いました。ポルシェは、3Dプリンティングは将来のデジタル製造技術の「不可欠な部分」であるため、「長期的かつ継続的な」投資に値すると述べた。

さらに、チェコの自動車メーカー、シュコダは最近、自社のワークフローを強化するために 3D プリントを使用し、プロトタイプ、スペアパーツ、ツールの生産を社内で行うようになったと発表しました。シュコダはすでに、Prusaなどの企業が開発したシステムを使用した3Dプリントファームを整備している。
△シュコダの印刷工場プロジェクトはチェコ共和国産業連盟に認められた。シュコダの画像
3Dプリントドアヒンジのコストを削減する方法

設計作業を開始する前に、フラウンホーファーのエンジニアは、3D Spark が開発したコンポーネントスクリーニングソフトウェアを使用して、実証研究に適した自動車コンポーネントを特定しました。

プロジェクトの初期段階で、チームはビルドチャンバー内での部品の最も経済的な配置を決定しました。エンジニアは、必要なサポート構造と、1 回のビルドに収めることができる部品の数を考慮しました。方向の最適化ステップにより、これらの要素を考慮しない 3D プリントビルドと比較して 15% のコスト削減が実現しました。

次に、ヒンジアーム自体のトポロジー最適化を行いました。不要な材料を削減し、力の流れをシミュレートするために必要な部分のみを強化することで、エンジニアはヒンジ付きアームの重量を 35 パーセント削減することができました。その後の材料の節約と印刷時間の短縮により、さらに 20% のコスト削減が実現しました。

フラウンホーファーチームは、後処理の削減（サポート構造の削減による）と作業に最適な金属粉末材料の選択に関連する追加のコスト削減も計算し、それぞれ 10% 削減できるとしました。

興味深いことに、この調査では、3D 印刷プロセスで使用されるビルドパラメータによってもコストが削減されることがわかりました。たとえば、より厚い層、より高速なスキャン速度、レーザービームプロファイルの変形はすべて構築時間の短縮に役立ち、印刷コストをさらに 15% 削減します。

最終的に、このコスト重視の設計アプローチにより、IAPT のエンジニアは、同様に最適化されていない 3D プリントされたヒンジと比較して、80% という大幅なコスト削減でヒンジを 3D プリントすることができました。 CNC フライス加工された同等品と比較すると、このプロジェクトではコストと重量がそれぞれ 50% と 35% 削減されました。

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