ジグとフィクスチャ：3Dプリントで生産効率を向上させる6つの方法

治具、固定具、グリップのいずれであっても、製造プロセスの一部として、一見平凡に見える場合でも、工具は依然として重要です。製品の複雑さに関係なく、生産の生産性と効率は、高品質の工具補助器具の入手可能性に依存します。

過去数年間で、これらのツーリングエイドの製造方法に根本的な変化がありました。フォルクスワーゲンからボーイング、ジェイビルなど、大手メーカーはツーリング製造の手段として3D印刷の利点を認識しています。

では、これらの製造支援を3D印刷することで、製造業者はリーン生産方式を実現するのにどのように役立つのでしょうか。

治具と固定具の重要性

生産効率と生産性を最大化することは、メーカーにとって重要な関心事です。治具と固定具は、製造サイクル時間を最小限に抑え、作業者の安全性を向上させながら、製造プロセスの信頼性、精度、品質を向上させるために使用される製造補助具です。

基本的に、治具、固定具、製造補助具の目的は、製造時間と人的エラーを削減しながら、正確で再現性があり交換可能な製造プロセスを提供することです。

ジグ

治具は、特定の操作のために切削または機械加工ツールをガイドしながら、ワークピースを保持およびサポートするツールです。最も一般的なタイプのジグは、ドリルビットを目的の位置にガイドするドリルジグです。

備品

固定具は、機械加工または組み立てプロセス中にワークピースを保持、支持、および配置します（ただし、切削工具をガイドしないでください）。固定具は通常、機械に取り付けられ、各固定具は特定の部品または形状に合うように構築する必要があります。

ジグと固定具は製造プロセスを最適化するために不可欠であり、次のような利点があります。

スクラップ材料の削減
プロセスの精度と再現性の向上
必要なスキルのレベルを下げる（治具や固定具を操作するため）
生産性の向上

3Dプリントツール：伝統を打ち破る

2021年、ジェイビルが調査した企業の半数以上（57％）が、工具、治具、固定具に3D印刷を使用していると報告しています。これは、2017年の30％から2019年の37％に増加しています。

従来の製造方法では、治具と固定具をCNC機械加工するか、手動で溶接して組み立てる必要があります。このプロセスには数日（または外部委託の場合は数週間）かかる場合があります。特に、部品の機械加工には集中的な計画と熟練した機械オペレーターが必要になるためです。

当然のことながら、従来の製造方法を使用すると、リードタイムが長くなり、製造コストが高くなり、新しい設計変更の柔軟性がほとんどなくなります。

ただし、3D印刷は理想的な代替手段です。 3Dプリンターを使用すると、材料費の何分の1かで、必要に応じて治具や固定具を製造でき、必要に応じて反復できます。

なぜ3Dプリントなのか

1.リードタイムの短縮

3D印刷の主な利点は、部品の製造速度です。 3D印刷は、3D CADモデルを使用するデジタル製造プロセスであるため、必要なのはそのCADモデルをアップロードすることだけであり、部品は数時間で印刷される可能性があります。

これは、治具や固定具の製造に大きなメリットをもたらします。従来の製造では、工具の製造には数日から数週間かかる場合があり、いくつかの処理ステップが必要です。ただし、3D印刷では、製造プロセスの多くが自動化されているため、人の介入が少なくて済み、製造プロセスが高速化されます。

実際の事例はたくさんあります。ポルトガル最大の自動車工場であるVolkswagenAutoeuropaは、3D印刷用の治具と固定具によって89％の時間を節約できると報告しています。 Stratasysが実施した調査でも、同様のことがわかります。メーカーによると、3D印刷用の治具と固定具を使用すると、リードタイムを最大90％短縮できます。

3D印刷で治具や固定具を製造できる速度は、デバイスを複数回繰り返すのにも理想的であり、革新的で新しい設計変更を容易にします。

多くの場合、同じ日に複数のイテレーションをデザインして印刷することができます。それを外部のサプライヤーを使用することの高いコストと長期のタイムラインと比較すると、積層造形の利点は明らかです。

これらの利点は、エンジニアが機械工場からイテレーションを受け取るまでの長い開発サイクルと長いリードタイムに苦しむ必要がないことを意味します。製造までの設計変更を組み込む自由と柔軟性があります。

2。コストの削減

時間の節約に加えて、3D印刷は生産コストの大幅な削減を提供します。多くの場合、治具、固定具、その他の工具設備の製造は外部のサプライヤーに委託されています。

対照的に、3D印刷は、メーカーがテクノロジーを社内に持ち込むことを可能にすることで、このアプローチに正面から挑戦します。この新しい戦略—少量の社内工具製造—は、製造業者がアウトソーシング費用を削減できることを意味します。

たとえば、ペンシルベニア州の軍事および航空宇宙産業向けのハイエンドアセンブリを製造する請負製造店であるLiberty Electronicsは、アウトソーシングではなく社内で3D印刷することにより、カスタムツールのコストを85％節約しました。

在庫は、メーカーが3D印刷で支出を劇的に削減できるもう1つの分野です。工具設備を保管する代わりに、積層造形によりオンデマンド製造が可能になるため、必要なときに工具を製造できます。

最後に、3D印刷は加算プロセスであり、減算プロセスではないため、メーカーは材料の浪費を簡単に最小限に抑え、材料コストを削減できます。

3。人間工学の改善

治具や固定具は生産現場での作業者による物理的な取り扱いが必要なため、製造業者は取り扱いが簡単な軽量部品を作成することを優先する必要があります。

ここで、3D印刷は、軽量化を通じて非常に役立ちます。たとえば、高性能材料は、金属切削プロセスの優れた代替手段であり、より軽いオプションを提供します。ツールが軽いということは、生産現場の作業者にとっても使いやすさが向上することを意味します。

アディティブマニュファクチャリングにより、エンジニアは労働者の正確な要件に一致する改良されたツールを作成できます。

組み立て環境は過酷であり、反復作業は従業員に非常に負担をかける可能性があると、高度な産業ソリューションのリーダーの1人であるEckhartのAMアプリケーションエンジニアであるBobHeath氏は述べています。従来の設計ツールよりもはるかに軽量で、カスタマイズされた人間工学に基づいたツールを設計することは、Eckhartの添加剤プロセスの利点の1つです。

同社は、エンドユーザーのフィードバックを取り入れることで、ツールの人間工学を3D印刷で絶えず強化し、同時に、組立ラインの作業者の作業をより軽く、より安全に、より再現性が高く、正確にしています。

たとえば、アセンブラーが45秒ごとに駅に入る新しい車両にワイパーブレードを取り付ける必要があるのは、人間工学的な悪夢です。

そこで、EckhartはStratasysと提携して、ワイパーのモーター本体から離れた場所に配置する3D印刷ジグを開発しました。これは、ツールを車両のフロントガラスに吸引することでオペレーターを支援します。

新しいジグによってしっかりと固定された場所により、アセンブラーによるワイパーブレードの一貫した取り付けが可能になり、下流での手直しや品質の問題がなくなります。

また読む：3D印刷、自動化、インダストリー4.0に関するEckhartの積層造形アプリケーションエンジニアへのインタビュー

4。材料の多様性

3D印刷では、プラスチックや金属からゴムやワックスまで、さまざまな素材を利用できます。マルチマテリアル3D印刷は、急速に成長している関心分野であり、材料を組み合わせて、機械的特性が強化された新しい材料を作成しています。たとえば、3D印刷された部品は、化学的および耐熱性であるか、UV安定性を備えている可能性があります。

治具や固定具の最も重要な意味の1つは、PEKKやULTEMなどの高性能材料と複合材料の開発です。これにより、機械的特性が強化された強力で軽量な工具部品を作成できます。

5。パフォーマンスの向上

3D印刷は、新しく改善されたデザインを作成するためのより簡単な方法を提供することにより、ジグとフィクスチャのパフォーマンスを向上させるのに役立ちます。以前は、これを達成することは、従来の方法で新しい製造器具を製造するために必要な労力と費用のレベルのために、巨大な作業でした

AMを使用すると、シリアル番号、製造日、その他の重要なデータなどの機能を追加して、在庫管理と追跡を強化できます。

機械加工で分離される部品は、3Dプリント時に組み合わせることができます。これにより、ギャップスペースと不要なほこりや切りくずの蓄積が最小限に抑えられます（工作機械など）。

6。カスタマイズ

最後に、3D印刷により、カスタマイズされた製品の作成が容易になります。複雑な形状を作成する機能と相まって、このテクノロジーを使用して、従来の製造方法では実現できない複雑でカスタマイズされたツールを簡単に作成できます。

また、カスタマイズの機会は、医療機器の分野など、さまざまな業界にメリットをもたらします。ここでは、3D印刷がすでに手術ガイドの作成に使用されており、手術時間を短縮し、より良い患者体験を提供しています。

3Dプリントされたジグとフィクスチャの動作

多くのメーカーは、3D印刷の経済的および生産性のメリットを、ツールの生産に活用しています。

製造

ジェイビル

ジェイビルは、世界20か国以上に100の施設を持つグローバルな製造サービス会社です。 Ultimaker AMシステムの備蓄により、同社はすでに治具や固定具を製造するための3D印刷を模索しています。ミシガン州のオーバーンヒルズ施設は、積層造形を使用した工具製造のパイオニアです。

「長期的には、すべての固定具と治具は3D印刷され、一部はプラスチック製、一部は金属製になるようですが、最終的には完全に理にかなっています。」 – John Dulchinos、Jabil。

このテクノロジーにより、同社はコストの制約を受けることなく、複数の設計を繰り返すことで、ジグとフィクスチャの1回限りのバッチを作成できます。この施設は、顧客満足度を高めながら、工具のコストを最大30％削減し、必要な時間を80％削減できるようになりました。

「3Dプリントされたツールと固定具は、既存のプロセスに3Dプリントを適用する際に、ほとんどのメーカーが恩恵を受けることができる分野です」と、Jabilの積層造形ディレクターであるTimDeRosett氏は述べています。

航空宇宙

ムーグエアクラフトグループ

航空宇宙および防衛メーカーのMoogAircraft Groupは、Fused Deposition Modeling（FDM）テクノロジーを使用して、3DプリントのCoordinate Measurement Machine（CMM）フィクスチャーを使用しています。同社によれば、CMM固定具の製造をアウトソーシングすると、構想から最終部品まで4〜6週間のリードタイムが発生しました。ただし、3D印刷を使用すると、同社は同じ器具を約20時間で社内で製造できます。 3DプリントされたCMMフィクスチャの価格も2,000ポンドから数百ポンドに下がりました。

ボーイング

ただし、3D印刷は、小さな製造支援に役立つだけではありません。 2016年、ボーイングとテネシー州のエネルギー省のオークリッジ国立研究所（ORNL）との共同プロジェクトにより、ボーイングの777X航空機用に、印象的な大型の3Dプリントトリムアンドドリルツールが製造されました。 3D印刷されたオブジェクト。

以前は金属を使用した従来の製造方法で製造されていたトリムアンドドリルツールは、炭素繊維強化ABSを使用してわずか30時間で3Dプリントされていました。主に大規模なAMアプリケーション向けに開発された独自のBigArea Additive Manufacturing（BAAM）マシンのおかげで、迅速な生産が達成されました。

また読む：大規模3D印刷の4つの印象的なアプリケーション

自動車

BMW

3D印刷された工具は、自動車分野でも広く使用されています。 BMWは注目に値する例の1つです。ドイツの自動車メーカーは、フライス盤や旋削などの従来の金属切削製造方法の代わりに、溶融堆積モデリングを使用して、組み立てとテスト用の手工具を製造しました。 3D印刷のおかげで、人間工学に基づいて設計されたツールの重量が72％削減され、作業者にとって使いやすくなり、デバイスの機能が強化されました。

ルノースポーツF1

3D印刷は、ルノースポーツフォーミュラ1での工具製造の貴重なソリューションでもあります。3D印刷の多くの用途の中で、同社はステレオリソグラフィー（SLA）を使用してレースカーの排気システム用のジグを製造しています。

アディティブマニュファクチャリングを採用する前は、ルノーはCNC機械加工を使用してジグを製造していましたが、これには数日かかる場合があり、事前に機械加工された部品の組み立てには1週間かかる場合がありました。対照的に、積層造形では、15個のジグを一晩で製造でき、大幅な時間の節約になります。

参考資料：3DプリンティングとF1：モータースポーツの5つのトレンド

治具と固定具の3D印刷を最大限に活用する方法

ツール設計を最適化する

製造補助具の3D印刷の成功は、設計から始まります。 AMの設計の柔軟性を活用するために、設計段階でジグまたはフィクスチャにどのような追加機能を組み込むことができるかを検討してください。機械加工が困難な小さなフィーチャーや、フライス盤や旋盤での工具クリアランスのために不可能と見なされる形状は、すべてAMプロセスの範囲内です。

エキサイティングなのは、AM企業が現在、設計プロセスをスピードアップし、エンジニアがマシンに何かを印刷する前に設計オプションをすばやく評価できるようにする自動化ソリューションを積極的に開発していることです。このようなツールは、ツールの設計に役立つ可能性があります。

たとえば、Fordは、自動化によってツールの設計にかかる時間を数時間から数分に短縮する方法を紹介しました。

ドイツのソフトウェア会社であるTrinckleと提携することで、自動車メーカーは、車の輪郭に合わせて新しいジグのベースを形成するツールのジオメトリを自動的に生成できるソフトウェアにアクセスできるようになりました。クリックするだけで、エンジニアはハンドル、固定用のマグネットマウント、エッジガイドなどの要素を追加することもできます。

この部品の設計プロセスを自動化することで、数時間の作業が節約され、設計プロセスがわずか10分に短縮されました。フォードは、このアプローチがツールごとに数千ユーロを節約する可能性があると信じています。

ハードウェアメーカーのStratasysも、ソフトウェア会社のnTopologyと共同で3Dツール設計自動化ソリューションを開発しています。

フィクスチャジェネレータと呼ばれるこの新しいソリューションにより、エンジニアは簡単なドラッグアンドドロップ方式でツーリングパーツを準備できます。これは、最終用途のアプリケーションを念頭に置いて部品設計を最適化するnTopologyのトポロジー最適化ソフトウェアエンジンを使用して行われます。ここでフィクスチャジェネレータへのアクセスをリクエストできます。

在庫をデジタル化して、3Dプリントされたツールを簡単に並べ替えることができます

多くのツールを定期的に印刷する場合は、注文のワークフローを合理化することを検討する必要があります。

3D印刷されたジグとフィクスチャを実装する多くの企業は、多くの場合、設計ファイルを共有フォルダに保存しますが、エンジニアはツールを注文するために電子メール要求を送信する必要があります。同時に、3D部門のマネージャーは、電子メールを分類し、フォルダーとスプレッドシートを調べて、要求されたファイルとそれらを本番環境に送信するための本番要件を見つける必要があります。

このワークフローがあまり効率的でない理由は明らかです。部品を注文するエンジニアにとっては使い勝手が悪く、3D印刷技術者にとっては時間がかかりエラーが発生しやすくなります。

別のより効率的な解決策は、3D設計ファイルと制作要件を備えたデジタルカタログを作成することです。カタログが追加のMESシステムとも統合されている場合、エンジニアが利用できるようにすることで、企業は注文と生産のスケジュールを簡素化できます。

また読む：デジタル在庫がAM運用をサポートできる4つの方法