アプリケーション・スポットライト：3Dプリンティングがベアリング設計と生産を変革

[画像提供：Bowman Additive Production]

今週の「アプリケーション・スポットライト」シリーズでは、可動金属部品間の摩擦を低減する重要コンポーネント「ベアリング」に焦点を当てます。

本記事では、ベアリングの設計と生産における3Dプリンティングのメリットを掘り下げ、ベアリング・メーカーがこれらをどう活用して画期的なベアリング部品を生み出しているかを探ります。

シリーズの他のアプリケーション：

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電子部品向け3Dプリンティング

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ベアリングとは？

ベアリングは動作アプリケーションで重要な役割を果たします。

車輪のような円形デバイスは、荷重を負担し、相対的に動く2部品間の摩擦を劇的に低減するよう設計されています。可動部品の間にベアリングを配置することで、部品がベアリングの上を転がるようになり、滑りではなく転がり運動となり、摩擦を最小限に抑えます。

玉軸受は最も一般的なタイプの一つ。通常、滑らかな内輪、滑らかな外輪、ボールや円筒などの転動体、ローラーを間隔を保って保持するケージ（保持器）の3要素で構成されます。転動体が荷重を負担し、ベアリングが自由に回転できるようにします。

ベアリングは自動車エンジン・ステアリング、航空機タービン、組立ライン、医療機器など、あらゆる業界で使用されています。メーカーは常にビスポーク・ソリューションの提供と性能向上を模索しており、アディティブ・マニュファクチャリングが重要なイネーブラーとなっています。

ベアリング向け3Dプリンティングのメリット

設計複雑性の向上

3Dプリンティングはベアリング部品に複雑な形状を組み込む能力を解放し、直接的に性能向上につながります。英国のベアリング・メーカーBowman Internationalはこの利点を活かし、従来比45%多くのローラーを収容できるケージを再設計し、ベアリングの寿命を延ばしました。アディティブ・マニュファクチャリングの柔軟性により、柔軟なポリマーからケージを製造し、シャフトにシームレスに巻き付けることも可能です。

軽量化

ラティスやハニカム構造を採用することで、3Dプリンティングは強度を犠牲にせず軽量化を実現します——CNC機械加工では労力の大きい作業です。ケージをスチールの代わりにナイロンやコンポジット材料でプリントすることで、質量を削減し、同時に転動体の摩耗も低減します。

工具コストの排除

従来のベアリング生産では、1セットあたり4万〜6万ポンドの工具コストが発生し、小〜中ロットは採算が合いません。アディティブ・マニュファクチャリングは工具を完全に不要にし、メーカーがビスポーク・ケージをオンデマンドで製造し、限定バッチで価格競争できるようにします。

3Dプリント・ベアリングの事例

BowmanのRollertrain™：割り型ローラー・ベアリング用ケージ

Bowman Internationalのアディティブ・マニュファクチャリング部門Bowman Additive Productionは、長年にわたり3Dプリンティングでケージ設計を改良してきました。

成果はRollertrain™：インターロッキング・ラティスを組み込んだ特許取得済みの割り型ベアリング・ケージで、従来ケージ比最大45%多くのローラーを収容可能。設計により荷重をより多くの転動体に分散し、荷重容量を30〜40%向上、ケージ寿命を3倍に延長しました。

Rollertrain™ケージの製造コストは従来のスチール・ケージと同等ながら、性能と寿命の向上により優れた選択肢となっています。このケージは現在、John Handley BearingsのJHB割り型ベアリングに採用され、ラジアル容量で最大70%、アキシャル容量で1,000%の向上を達成——世界最高レベルの割り型ベアリング性能です。

3Dプリンティングがすべてのベアリング・タイプで従来工法に取って代わるわけではありませんが、割り型ベアリングではすでに主要製造ルートとなっています。

高級カタマラン向け軽量ベアリング・ケージ

エンジニアリング企業Scheurer Swissは、アディティブ・マニュファクチャリングとカーボンファイバー・コンポジットを融合し、プライベート所有の高級カタマラン「Moonwave」向けに軽量・高効率なベアリング・ケージを製造。ステアリング用玉軸受には軽量かつ堅牢なケージが求められました。

カーボンファイバー強化ポリアミド-12（PA12）を使用し、ケージを分割造形して接着。各ケージは最大直径630mmに達しました。金型成形なら数週間かかるところをわずか3日で完了し、よりスムーズで応答性の高いステアリング・システムを実現しました。

航空宇宙向け軽量メタル3Dプリント・ベアリング

ドイツの専門企業Franke GmbHは、救助ヘリコプターの患者ベッド用ワイヤー・レース・ベアリングの製造課題に取り組みました。厳格な重量制限800gと激しい乱気流への耐性が要求され、従来製造では不可能でした。

トポロジー最適化と複雑なラティス構造を適用し、メタル3Dプリンティングでしか実現できない設計を生成。最終的なアルミニウム・ベアリングは重量と性能基準をクリアし、飛行可能な航空機に搭載され、航空宇宙における軽量化でのアディティブ・マニュファクチャリングの役割を実証しました。

将来展望

3Dプリンティングはベアリング・メーカーに、工具の金銭的負担なしで高性能コンポーネントの試作・生産の自由を与えます。また、柔軟なポリマーから高強度メタルまで材料選択肢を拡大し、従来プロセスでは不可能な機能を可能にします。

業界がアディティブ・マニュファクチャリングを受け入れるにつれ、小〜中ロットのベアリング生産における標準手法となり、コスト、性能、持続可能性の面で具体的なメリットをもたらすでしょう。

次回は自転車向け3Dプリンティングを紹介します。お楽しみに！