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3Dプリンターで製造

3Dプリンターでも治具は作れる?メリットやプロセスについて解説

1.はじめに

3Dプリンターは、1980年ごろから開発が始まり、2010年代には広く商品化され、2020年に入ろうとする現在では、製造現場では欠かせないツールとなっています。

それでは、3Dプリンターでも治具は作れるでしょうか?
答えは、作れます!
むしろ得意技と言っても、いいのではないでしょうか。
これから、3Dプリンターで作る治具について、簡単にご紹介いたしましょう。
3Dプリンターで製造

2.3Dプリンターとは

3Dプリンターを図1で、イメージとしてご紹介します。

3Dプリントイメージ図

製作する加工物の3D図をパソコンで描きます。加工物の内部に中空があれば、それも含め、詳細にデザインします。
パソコンを3Dプリンターと接続し、プリントコマンドを送れば、ノズルから溶かした樹脂が噴射し、造形物を下側から積み上げていきます。全層を積み重ねれば、造形物がデザイン通りに、できあがります。

3Dプリンターの方式は、いろいろな種類があり、それぞれ特徴があります。加工物の精度、大きさ、つやを持たせるなどの特徴に沿って、プリンター方式を選ぶ必要があります。
代表的な3Dプリンター方式の比較を紹介した表が、表1です。

表1 3Dプリンター方式比較

方式 概要 特徴
熱溶解積層方式 ABS樹脂のような熱可塑性樹脂を溶融させ、ノズルから噴射して積層し造形します。 ・シンプルな構造で、安価です。
・細かな造形には向いていません。
粉末焼結方式 粉末状の材料に、高出力のレーザー光線を照射し焼結させて造形します。 ・耐久性のある造形物ができます。
・造形後の粉末の除去に手間が掛かります。
インクジェット方式 インクジェットヘッドから、硬化性樹脂を噴射し、UVランプから紫外線を当てて固めて造形します。 ・高精度の造形ができます。
・比較的高価です。
光造形方式 紫外線を当てながら、光硬化液体樹脂を一層ごとに硬化させ、造形します。 ・微細で高い精度の造形が可能です。

 

3.3Dプリンターで治具を造形する

(1) 造形方法

前の項で、3Dプリンターは、加工物を下側から積み上げていく、と説明しました。どのように積み上げるかをイメージとして描いたものが、図2です。

3Dプリンターによる治具製作イメージ

1層目の積層物と2層目との厚さを積層ピッチといいますが、0.1mmから0.2mmがピッチの長さです。
ピッチを0.1mmとして、治具の高さを10cmとします。とすると、この治具を製作するために必要な層の数は、1000層になります。

(2) 3Dプリンターで治具を製作するときのメリット

◇ 製造現場

造形モデルの治具を使って、現場の実際の作業の効果などを工場実務者と話し合うことで、現実的な治具として改善が加えられます。そのため、初期トラブルがない状態で、製品の製造が始められます。

◇ 小ロット治具

製造現場では、治具は多方面に用途があり、多種類・小ロットの治具が必要です。3Dプリンターは、大量生産の製品製作には向いていませんが、小ロットの治具の製作では、メリットが出ます。

◇ 軽量化

軽い治具ができあがるため、ヒューマンエラーの防止に効果があります。

◇ より良い形への改善

試作段階の検討で、持ちやすい形・角を丸くするなどの改善を施すことで、作業の効率化につながります。

◇ 製作時間削減

機械加工に比べて3Dプリンターでの製作は時間が短くなり、これが大きなメリットの一つです。もう一つ、設計と製造の現場が離れていても、変更する3Dデータを送るだけで、現場での治具製作にすぐに反映できる、時間短縮のメリットがあります。

◇試作品

3Dプリンターは試作品を作って評価する場面で威力を発揮します。機械加工で治具を製作する前に、3Dプリンターで試作品を作り、治具の構造や動作などを評価することで、治具製作のリードタイム短縮が可能です。

(3) 3Dプリンターで造形できる材料

3Dプリンターの材料は主に樹脂ですが、金属材料で作成できる3Dプリンターも普及してきました。治具の目的によっては、幅広い用途の治具の製作が可能です。

4.3Dプリンターで治具を作るプロセス

3Dプリンターを使って治具を製作するプロセスを、図3で紹介しています。
図3の上側の部分は、通常、機械加工で治具を製作するときのプロセスを示します。
一方、下側の部分は、3Dプリンターで治具を製作するプロセスです。

治具製作プロセス

3Dプリンターでの治具製作プロセス

図3から言えることは、3Dプリンターによる製作方法は、治具製作に掛かる時間を大幅に少なくできることです。

通常の治具の製作プロセスでは、図面を起こしてから承認を得て、製作に取り掛かり、試運転段階で不具合があれば、図面作成・承認・製作のプロセスを繰り返します。
機械加工での治具製作の課題は、完了するまで多くの時間を必要とすることです。
一方、3Dプリンターで治具を製作プロセスでは、製作してから不具合があれば、設計図の変更を行ってから、すぐに再製作することが可能です。したがって、3Dプリンターによる治具製作は、完了するまで時間を節約することができます。

治具によっては、機械で精密に仕上げるものが多くあります。そこでも、初めに3Dプリンターで試作品を作り、これで大丈夫という段階を経て機械加工で治具を作り上げれば、大きな無駄を省くことが可能です。
表2に機械加工と3Dプリンターとで製作するときの比較を紹介します。

表2 機械加工と3Dプリンター製作 比較

3Dプリンター 機械加工
加工方法 樹脂材料の積層 材料の削り出し
加工形状 中空の加工ができる 中空の加工ができない加工工程が複雑
加工精度 精密な加工には不向き
試作品には向いている
精密加工可能
納期 1日程度 1週間程度
コスト 材料費(自社) 外注費(材料費+人件費)

5.おわりに

プリンターには精度・強度・材料のコストなど多くの課題があります。一方、メリットが多いのも事実です。
課題を知った上で、治具の試作品製作に特化するなど、効果的な使い方をすれば、メリットを最大限に活かすことができるでしょう。

3Dプリンターを使った治具製作は、製造現場の活性化と効率化が達成でき、最終的には製造コストの削減が可能です。

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