3Dプリントツーリングが切り拓くプロトタイピングの未来

製造業における3Dプリントの役割を語る際、従来技術をいかに置き換えるかという視点に焦点が当たりがちです。実際、多くのAMハードウェア開発者は、CNC工作機械や射出成形システムの直接的代替として自社機械をマーケティングしています。

しかし、3DプリントはCNC加工、射出成形、板金加工、押出成形、鋳造などの既存技術を補完する用途でも活用できます。

DMLSなどの産業用金属技術や、FDM・SLSなどのプラスチック技術といったAMシステムを用いて、これらのプロセス向けの3Dプリントツーリングを製作することで、生産を加速・改善し、より良い結果を導き出せるからです。

本記事では、3Dプリントツーリングがプロトタイピングと少量生産の未来をどう形作るかを考察します。3Dプリントツーリングの種類、有用性、利用可能な材質について解説します。

3Dプリントツーリングの種類

ツーリングは、製造における様々な固定・支持・成形メカニズムを包括する用語です。部品のツーリングは1つまたは複数のコンポーネントで構成され、通常は工具鋼などの堅牢な材料で作られます。

3Dプリントで様々な種類のツーリングを製作可能ですが、一部は他より容易で、ハイエンドAM装置でしか製作できないものもあります。

1. 金型（モールド）

金型は材料を充填して部品を作る中空容器です。金型製作は通常切削加工で行われますが、耐熱材料と組み合わせた3Dプリントが、特定部品の実用的選択肢になりつつあります。

3Dプリント金型は使用前に大幅な表面研削や他の表面処理を要する場合がありますが、製作スピードはプロトタイピング企業にとって大きな恩恵です。

ドイツのAM企業EOSによると、「最も複雑な構造であっても高品質かつ短時間で製造できることは、3Dプリントが金型製作において明確な優位性を持つことを意味する」としています。

2. ジグ

ジグは、製造中の部品一貫性を向上させるカスタム製ワークホールディングデバイスで、通常は切削工具の動きをガイド・制御するために使用されます。

3Dプリンターは、ジグや治具のようなカスタム品の製作にますます有用になっています。ワンオフ部品に対してコストが安価だからです。

ジグ・治具を3Dプリントするメーカーは、特に社内プリントの場合、リードタイムを大幅に短縮できます。

3. 治具（フィクスチャ）

治具は、製造中（通常は機械加工）にワークピースを固定するカスタム製ワークホールディングデバイスです。ジグとは異なり、治具は通常、製造設備ではなく製造される部品ごとに固有です。

ジグと治具は、金属やTPU、カーボンファイバー強化ナイロンなどのエンジニアリングプラスチックで3Dプリント可能です。

4. 押出ダイス

ダイスは形状開口を持つ厚い鋼板です。押出プロセスでは、材料がダイス開口を通過させられ、ダイス開口と一致する断面形状を持つ長尺部品が生成されます。

金型と同様、ダイスは通常、DMLSやSLMなどのプロセスでプリントしやすくなっている耐熱材料（鋼など）で製作されます。

3Dプリントツーリングの利点

コンフォーマル冷却チャネル

射出成形などのプロセスでは、溶融材料の周囲に冷却材を循環させ、均一に冷却・硬化させるため冷却チャネルが使用されます。これにより成形品の歪みや変形を防止します。

通常の金型では、より複雑な形状の加工が困難なためチャネルは直線的になりがちです。しかし、3Dプリントではコンフォーマル冷却チャネル、すなわち部品の輪郭に沿ったチャネルを作成でき、部品の各領域が冷却材から均等に影響を受けられます。

金属AM専門企業Desktop Metalは、「複雑な設計と内部構造（カスタム金型用コンフォーマル冷却チャネルなど）を持つ部品は、製造時間とパーツ単価が設計複雑性に必ずしも依存しない積層造形に理想的に適している」と述べています。

迅速な製作

3Dプリントはセットアップや準備時間が最小限で高速です。これによりツーリングの迅速な製造が可能で、ツールが破損または変更を要する場合の即時リツーリングも実現します。

3Dプリントツーリングはまだ初期段階で、ほとんどのメーカー（や顧客）に支持されているわけではありませんが、リードタイムが他の要因より優先されるラピッドプロトタイピングでは、すでに重要性を増しています。

3Dプリントツーリングは、従来のプロトタイピングプロセスを明確に高速化するため、プロトタイピングの未来に大きな影響を与えるでしょう。

低コストかつ効率的

ツーリングは、複数コンポーネントが必要な場合や設計が特に複雑な場合、非常に高価になります。3Dプリントなら、複雑で精巧な設計もシンプルなものとほぼ同じ速さで製作できるため、ツーリングコストを削減できます。

AMは材料使用効率も良く、ワークピースから廃材を切削除去する必要がないためです。

最終的に、プロトタイピング段階でコストを大幅に削減するあらゆる回避策が、プロトタイピングプロセスにおいてますます重要な役割を果たすようになります。

3DプリンターメーカーMarkforgedは、「メーカーが自社プロセスで使用する耐久性ツーリングの10〜50%を3Dプリントできるようになっている」ことを確認しており、「3Dプリント部品と切削加工部品の平均コスト削減率80%を考慮すると、大きな価値を生む」としています。

多様なプロセスに対応

3Dプリントツーリングは、以下を含む複数の固有製造プロセスで使用可能です：

• ダイカスト
• 射出成形
• 押出成形
• CNC加工
• 板金加工

最適なAMツーリング材質

工具鋼

工具鋼は要求の厳しい製造用途に適した硬い鋼材です。硬度が高いため、精密加工には長時間を要します。

しかし、一部の金属3Dプリント技術ではこの材料をプリント可能で、射出成形金型などの3Dプリントに道を開きます。産業用AM企業EOSは、マルエージング鋼や工具鋼1.2709を含む、3Dプリント可能な工具鋼粉末シリーズを提供しています。

インコネル

DMLSやSLMなどのプロセスで、インコネルニッケル合金からツーリングをプリント可能です。インコネルは耐熱性に優れ、成形や押出など幅広いツーリング用途に適しています。

複合材料

カーボンファイバー強化ナイロンやPEEKなどの複合材料は、ジグや治具などの3Dプリントツーリング製作において、高強度金属の代替となり得ます。

エンジニアリングサーモプラスチック

3Dプリント企業Stratasysは、TPU、強化ナイロン、ASAなどの高性能FDM材料で特定のジグ・治具を製作することを推奨しています。

3ERPは、機械加工、積層造形、その他分野で長年の経験を持つラピッドプロトタイピング専門企業です。無料見積もりはお気軽にお問い合わせください。