垂直型実験器具市場では、直接生産に 3D プリントをどのように活用できるでしょうか?

出典：上海富志情報技術有限公司
Laboratory Technologies Inc. (LTI) は、1983 年以来、米国および海外の研究所に放射線計測機器を供給している、研究室用放射線計測機器の大手メーカーです。 LTI は主に、原子力研究所を含む世界中の専門の小規模研究所にサービスを提供しています。

金属加工コストの高さが製品設計を制限する
LTI の有名な製品には、Genesys 100 シリーズ、ガンマカウンターの Gamma 1 Single Well シリーズ、ワイプテストカウンターの Wiper シリーズなどがあります。
これまでの生産工程では、LTI の製品は機械加工されていました。生産技術のせいで、製品の設計時にいくつかの制限に遭遇し、より複雑なライン設計を実現することが困難でした。
カウンターハウジングは比較的簡単に作ることができ、冷間圧延鋼板を 1 枚だけ希望の形状とサイズに切断するだけで済みます。しかし、検出器の製造は比較的複雑です。検出器の中心にある結晶のパラメータが損傷するのを防ぐために、周囲に保護装置の層を設置する必要があります。プロテクターの製作は、中央のクリスタルのサイズと輪郭にぴったり合う中空構造を作るために、頑丈な鋼管に穴を開けることから始まります。次に、密閉性を確保するために、鋼管のもう一方の端に鋼板を溶接する必要があります。機械加工技術の観点から、このような複雑な構造の部品を製作することは難しく、また、必要な工具も多くなるため、加工コストも高くなります。
3D プリント技術がデザインの自由度を拡大<br /> 生産コストを抑制し、高価な機械加工技術だけに頼らないようにするために、LTI は総合的に検討した結果、高コストの機械製造ではなく 3D プリント技術を試すことにしました。さまざまな 3D プリントブランドを比較およびテストした後、LTI は最終的に Raise3D Pro2 Plus 大型 3D プリンターを選択しました。
Pro2 Plus の電動リフティングデュアルノズル押し出しシステムは、複雑な機械部品の印刷をサポートします。大型印刷チャンバーにより、大型部品の一括印刷が可能。同時に、Pro2 Plus は最大 300°C の加熱能力を備えており、さまざまな印刷材料に対応しています。 LTI は、さまざまな材料とブランドを試した結果、Polymaker PolyMax™ PC 材料が自社製品に最も適した 3D プリント材料であることを最終的に発見しました。

LTI は適切な 3D プリント装置とフィラメントを選択した後、3D プリントのカスタマイズを活用して、これまで鋼鉄では実現が困難だった複雑なデザインを実現しました。例えば、外部補強パネルの従来の直角デザインは、より現代的な丸みを帯びたデザインに変更されました。
LTI が 3D プリントされた部品と元々機械プロセスで製造された部品を比較したところ、丸みを帯びた角のデザインは見た目を美しくするだけでなく、衝突や衝突の際に直角による損傷を回避し、製品の安全性をある程度高めることもわかりました。
従来の機械加工プロセスでは、丸い角を生成するには、多くのツールホルダー操作技術とより高度なソリューションを使用する必要があるため、実現が難しく、同時にコストも高くなります。このため、LTI では製品設計に制限がありましたが、3D プリント技術の導入によりこの問題は解決されました。製品デザイナーは、より美しく、より優れた性能を持つ製品を設計できます。
図 1: 古いカウンターデザイン (左) と新しいカウンターデザイン (右)
3D プリントでは追加の製造ツールを必要とせずにほぼあらゆる形状を印刷できるため、LTI の製品開発プロセスはよりスムーズになります。製品のシェル、組み立てスロット、通気口などの機能的特徴など、すべて CAD ソフトウェアを使用して正確にデジタルモデル化し、3D プリンターを使用して完成させることができます。
図3Dプリンターはスペアパーツを製造します。部品の急速な発展と交換の時代に、カスタマイズされた生産を実現できるRaise3Dプリンターは、さまざまな複雑なデザインの生産を完了できるだけでなく、優れたユーザーエクスペリエンスも提供できます。 Raise3D Pro2 Plusは大判印刷が可能ですが、機械全体のサイズは大きくないため、あまり場所を取らず、どんなスペースにも設置できます。 LTI がこれを生産ラインの隣に設置することで、エンジニアは印刷中に生産プロセスをよりよく観察し、生産中に発生する可能性のある問題を迅速に確認できるようになります。
図3: オフィスで稼働しているRaise3Dプリンター
強力な3D印刷ソフトウェアは印刷プロセスを「最適化」することができます
LTI は、Raise3D のスライスソフトウェア ideaMaker のマルチパラメータ調整機能を使用して、特に最高の外観品質と寸法精度を実現する上で、自社モデルの印刷プロセスを柔軟に最適化します。 LTIはideaMakerのテンプレートライブラリから0.1mmの層高オプションを選択しました。高精度の設定により、製品のサイズがより正確になり、外観がより繊細になります。
LTI は、寸法精度を維持しながら、ideaMaker の自由に調整可能な材料プロファイルの利点を最大限に活用し、印刷パラメータを最適化することで材料の収縮を減らします。熱膨張と収縮の原理により、ノズルの押し出し線幅の実際の値と理論値には差があります。IdeaMaker を使用すると、ユーザーは材料の押し出しプロセスと印刷プロセスを複数の角度から制御できます。印刷パラメータを制御して実際のモデルを改善します。

適切な印刷材料を選択することの重要性<br /> LTI は、さまざまな 3D プリント材料をテストした結果、ポリカーボネート (PC) が自社製品の製造に最適な選択肢であることを発見しました。しかし、さまざまなブランドの PC 素材をテストしたところ、LTI はすべての PC ケーブルが同じように機能するわけではないことを発見しました。何度もテストを繰り返した後、LTI は最終的に、自社製品の 3D プリントフィラメントとして Polymaker PolyMax PC を選択しました。
既存の工業グレードの 3D プリントフィラメントの中で、PC は優れた耐衝撃性と高い剛性により、優れた機械的特性を持つ材料の第一選択肢となっています。 PCプリントは衝撃を吸収し、製品の変形やひび割れを防ぎます。 PC 自体のこれらの特性に加えて、PolyMax PC は、Raise3D Open Filament Project (OFP) の 1 つとして、Raise3D 印刷装置によく適合し、押し出しが容易で、性能が安定しており、反りが発生しにくいという特徴があります。 LTI は、3D プリントされた PC 部品は元の冷間圧延鋼と同じ高い耐衝撃性を備えているだけでなく、PC の密度が冷間圧延鋼よりもはるかに低いことを発見しました。
図 1. PolyMax™ PC で印刷された機能的なカージャッキ。ガンマカウンターとワイパーテストカウンターでは、UL 耐火等級が重要です。 Polymaker の PolyMaxPC は難燃性に優れています。

3Dプリント部品の後処理<br /> LTI は、印刷された部品を入手した後、完成品の表面をより滑らかで美しくするために後処理を行う必要もあります。後処理の手順は主に次のとおりです。最初にサンドペーパーを使用して、印刷された部品を 5 ～ 10 秒間研磨し、表面のバリを取り除きます。次に、プリンターの押し出しによって生じた小さな隅や割れ目を埋めるために、外面を下塗りします。塗装面が乾いたら、サンドペーパーで30～60秒間軽く研磨し、拭き取ってください。最後に表面に槌目塗装を施し、この後処理を施すことで、完成品全体に金属的な質感が生まれます。
後処理前の図（左）と後処理後の図（右）
3D プリントは製品の品質向上と生産コストの削減に役立ちます<br /> 数か月の開発を経て、LTI は 3D プリント技術を通じて製品の最適化を実現しました。構造を再設計することで、Polymaker PC プリントを使用して製造された新しい外部補強パネルは、元の冷間圧延鋼と同等の強度を持ちながら、重量は 9.5 kg 軽量化されました。その理由は、PC の密度はわずか 1.2 g/cm3 であるのに対し、冷間圧延鋼の重量は 7.8 g/cm3 だからです。 PC素材は6倍軽量です。生産コストの面では、3D プリントを導入した後、LTI はコストを当初の 1/4 に削減し、そのうち材料コストは当初の 6% に削減しました。

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