コストを 99% 削減:3D プリントで 110 ドルの CNC カップリングを 1.05 ドルの複合部品に置き換えた方法
110 ドルから 1.05 ドルへ:機械工場が 3D プリンターを導入すると何が起こるか
積層造形の経験がまったくない生産マネージャーが、CNC 加工されたステンレス鋼のカップリングを 3D プリントされた複合部品に置き換え、1 週間連続でストレステストを実施しました。それはブリッジポートに戻ることはありませんでした。ここでは、実際に何が起こったのか、そして施設内のどの部分が同様の影響を受ける可能性があるのかを説明します。
主な結果の概要
- 部品コストの 99% 削減:カップリングあたり 110 ドル → 1.05 ドル
- 1 週間連続作動させても損傷の兆候はありません（耐用年数は約 5 年と想定されます）
- 部品形状の改善:スター型プロファイルはフライス加工が不可能、印刷は簡単
- 機械加工されたオリジナルと比較して現場での故障リスクが低い
3D プリントで空気および液体システムの文化を変える
すべての始まりの部分
ライアン・ウェンズリックは、ほとんどの生産管理者がよく知っている問題を抱えていました。それは、小さくて複雑なバルブ継手であり、製作するのは悪夢のようなものでした。ブリッジポートでは星型の断面を切断することは不可能でした。彼のチームは代わりに四角形の近似を機械加工し、定期的に工具を壊し、特典として部品ごとに 110 ドルを支払いました。
ライアンは、GM、テスラ、フォードなどの顧客向けに熱交換器、スラッジ除去システム、液体濾過装置を製造するミシガン州の OEM 機器メーカーである Air &Liquid Systems の生産マネージャーです。彼のチームは、最初の機械を持ち込んだとき、積層造形の経験がありませんでした。数週間以内に、その 110 ドルのカップリングは 1.05 ドルで印刷された複合部品になり、オリジナルよりもバルブにフィットするものになりました。
これにより、部品コストが 110 ドルから 1.05 ドルに下がりました。私たちはまるで聖なる牛のようでした。– Ryan Wenzlick 氏、空気および液体システム、生産マネージャー
ライアンのチームは、単にコストを測定してそれを勝利と呼んだわけではありません。彼らは 2 つの印刷されたカップリングをバルブに取り付け、連続作動下で 1 週間稼働させました。これは、通常の耐用年数の約 5 年に相当します。その後部品を引き離したところ、測定できるほどの摩耗、変形、いかなる種類の故障もありませんでした。
このテストにより、懐疑的なチームは変わりました。アディティブ マニュファクチャリングについて知らない場合、デフォルトでは、印刷パーツはプロトタイプであり、製造ではなくフィット チェックに使用するものであると考えられます。作動中のバルブに機械的ストレスが 1 週間続くと、その仮定は崩れ去りました。
エンジニアリングノート 量産用途の 3D プリント部品を評価する場合、加速寿命試験 (連続作動、繰り返し負荷、または高温への曝露) の方が、静的強度測定よりも有益です。積層造形の形状の自由度により、引張試験だけでなく、実際の動作条件下でも機械加工された同等品を上回る性能を発揮する設計が可能になります。
この部分が最初のターゲットとして適切だった理由
すべての機械加工部品が印刷に適しているわけではありません。 Ryan のカップリングは、最初の実稼働アプリケーションとしてほぼ理想的なものとなるいくつかの基準を満たしています。
幾何学的制約が決定的な要因でした。複雑な形状により機械加工にコストがかかる部品は、ほとんどの場合、印刷の有力な候補となります。これは、フライス加工を困難にする形状制約によって印刷が容易になることが多いためです。内部チャネル、スター プロファイル、有機的形状、エンドミルを打ち負かす薄肉形状は、添加剤の本来の領域です。
ショップ内のどの部分を最初にターゲットにする必要がありますか?
エア &リキッド システムの経験と、同様の OEM 環境および生産環境全体のパターンに基づいて、これらの部品カテゴリは、初期の積層造形導入において最も ROI が高いケースを一貫して提供します。
- 複雑な小型機械加工コンポーネント: 製造に複数の機械セットアップが必要な、内部プロファイル、非標準の断面、または形状を持つ部品。このケーススタディにおけるカップリングは原型です。
- 加工されたプレート アセンブリ: プレートストックの切断、穴あけ、ブラケットまたは構造マウントへの溶接または固定を伴うもの。
- 保持クリップとハードウェア: クリップ、クランプ、保持機能は、一括購入または個別に機械加工されます。
- 低圧流体継手: 完全な金属シーリングを必要としないシステムのバルブ継手、カップリング、およびコネクタ。複合材料は幅広い流体環境に対応します。
- 工具、治具、固定具: 組立治具、ドリルガイド、検査補助具。製品以外のツールには検証テストは必要ありません。
- 少量のカスタム パーツ: セットアップコスト、MOQ、またはリードタイムが従来の調達では非効率的となる、1～50 個の数量で注文される部品。
学習曲線:「知識ゼロ」問題
直接取り組む価値のあることが 1 つあります。それは、ライアンのチームには、最初の機械が到着するまで積層造形の経験がありませんでした。スタッフの誰も 3D プリントに CAD を使用したことがありませんでした。誰も複合印刷パラメータや FFF 蒸着用の部品の設計方法を理解していませんでした。
これは一般的です。産業用 3D プリンティングを評価する生産管理者のほとんどは、同じ想定を抱いています。有用なものを印刷する前に、誰かを雇うか、何か月もトレーニングするか、コンサルタントを雇う必要があるということです。この仮定には挑戦する価値があり、ライアンのチームは、マシンを開梱する前に、無料の積層造形オンライン トレーニング プログラムである Markforged University に直接アクセスして、この仮定をテストしました。
チュートリアルは完璧でした。すべてが的を得ていた。それについてまったく知識のない人のために、私たちはそれを座って見て、よし、このマシンを箱から出してみましょう、という感じでした。– Ryan Wenzlick 氏、空気および液体システム、生産マネージャー
ライアンが説明しているのは、工業用添加剤における真の設計哲学です。システムは、製品を設計する人だけでなく、生産を行う人によっても操作可能である必要があります。機械とソフトウェアのワークフローは、部品のスキャン、ファイルのアップロード、サポート構造の設定、印刷などの製造アプリケーションを中心に構築されています。専門知識は授業時間ではなく、使用を通じて蓄積されます。
そうは言っても、結果を大幅に改善する実際の付加的な設計コンセプトは存在します。印刷層に対する配向は機械的特性に影響します。中材のパターンと密度は重量と強度に影響します。複合補強層はロードされる場所に配置されます。これらはどれも学ぶのが難しいものではありませんが、量産部品を設計した後ではなく、前に理解しておく価値があります。
文化の変化：「できますか？」から「次は何ですか？」
ライアンが説明する、慎重な検証テストから、フロアを歩き回って印刷候補を特定するチームへの移行は、ほとんどの生産環境が積層造形を評価する際に過小評価している結果です。 ROI 計算ツールは、部品のコストと作業時間を把握します。従業員が製造について異なる考え方をすることによる複合効果を捉えていません。
Air &Liquid では、文化の変化がいくつかの具体的な形で現れました。
- パーツレビューが変更されました 「これをどのように加工しますか?」と尋ねるのではなく、エンジニアは、その形状が機械加工する価値があるかどうかを尋ね始めました。今まで決まった作り方をしていた部品が見直されました。
- 機械は耐荷重性が高くなりました。 ライアン氏は、このプリンターは「ほぼノンストップ」で稼働し、「常に利益を上げている」と説明しています。これは、研究開発プロジェクトの合間にアイドル状態にあるマシンとは異なる動作姿勢です。
- 中小企業の競争力。 ライアンはこれを明確に説明します。「私たちは中小企業を引き連れ、大手企業がやっているのと同じことをやっているのです。」大規模な施設と競合する OEM メーカーにとって、オンデマンドのカスタム コンポーネントの生産は、重要な競争上の差別化要因となります。
生産管理者向け 最初の添加剤アプリケーションを評価する際に尋ねるべき最も効果的な質問は、「これは何を置き換えることができるのか?」ということではありません。それは、「私たちが今作っているもので、工具を壊したり、熟練した機械工が何時間もそこに立っていなければならないものは何ですか?」ということです。それがあなたの最初の目標です。パフォーマンスを検証し、経済性を証明すると、文化の変化が自然に起こる傾向があります。
空気および液体システムが実際に印刷した内容
ライアンのチームは、スターとプロフィールの結合を超えて、採用曲線の中で印刷物に移行した他のいくつかの部分について説明しました。それぞれの部品は同じロジックに従いました。つまり、従来の方法で製造するのが高価で、時間がかかり、または困難だった部品を、積層造形ではそれらの制約なしで処理できるということです。
プレート アセンブリ: 当初は、個々のプレートを注文し、穴を開け、接続部品を加工し、アセンブリを溶接することによって製造されていました。 Ryan のチームは、それを 1 回の印刷操作に完全に置き換えました。固定具はありません。溶接資格は必要ありません。印刷時間を超えるリードタイムはありません。
保持クリップ: 小型のハードウェアは、以前はサプライヤーに大量に発注したり、旋盤で一度だけ製造したりしていました。印刷バージョンは「より堅牢」であると説明されています。これは、印刷によってガセット、丸みを帯びた根元、最適化された断面が生成されるため、従来の方法で行うと機械加工作業とコストが追加されるためです。
制作チームからのよくある質問
3D プリントされた部品は実際に生産中の CNC 加工された金属部品を置き換えることができますか?多くの工場現場の用途では、そうです。重要なのはアプリケーションの選択です。複雑な形状、適度な負荷要件、極端な温度や化学物質への曝露がない部品が有力な候補となります。 Air &Liquid Systems は、印刷された複合カップリングを連続作動下で 1 週間 (約 5 年間の使用に相当) 稼働させましたが、損傷は見つかりませんでした。また、印刷されたバージョンは、フライス加工では生成できない設計された星型プロファイルの形状を実現したため、機械加工されたオリジナルよりも優れた性能を発揮しました。
この文脈では「複合」 とは何を意味しますか?これは単なる標準的な FDM プラスチックですか?
いいえ、工業用複合材 3D プリンティングでは、プリント中に強化繊維 (カーボンファイバー、グラスファイバー、またはケブラー) の連続ストランドを熱可塑性マトリックス内に埋め込みます。その結果、熱可塑性プラスチックよりも積層複合材に近い方向強度特性を備えた部品が得られます。機械的用途 (ブラケット、フィッティング、耐荷重固定具) の場合、この区別は非常に重要です。
工場現場で有用な部品を印刷できるようになるまでにどれくらい時間がかかりますか?
Ryan Wenzlick 氏には、Markforged University を修了するまで積層造形の経験はまったくありませんでしたが、彼のチームはその後すぐに量産部品を印刷していました。簡単な交換部品 (機械加工されたコンポーネントの形状交換) の場合、CAD とスライスの学習曲線は数か月ではなく、数日から数週間で測定されます。
印刷されたパーツを実稼働前に検証する正しい方法は何ですか?
構造的または機械的用途の場合、加速寿命試験は静的強度試験だけよりも有益です。実際の負荷条件 (作動サイクル、振動、圧力、温度) を加速度でシミュレートします。空気と液体のカップリングの場合、1 週間の連続作動 (約 5 年間の使用に相当) が検証ゲートでした。
どれくらいの生産量になると、3D プリントは経済的に意味がなくなりますか?
積層造形は通常、単純な形状の場合、年間数百から数千の部品を超えるとコスト競争力が低下しますが、機械加工に費用がかかる複雑な部品の場合は、大量生産でも競争力が維持されます。多くの SKU にわたる多様な低量から中量の部品を印刷する施設は、高い稼働率を維持し、継続的に有利な経済性を維持できます。
ファクトリーチームの最終ポイント
Ryan Wenzlick の Air &Liquid Systems での経験は珍しいことではありませんが、有益です。彼がたどった道 (痛みを伴う機械加工部品の特定 → パフォーマンスの厳密な検証 → 他の候補への拡張 → 継続的な稼働) は、ほとんどの OEM 環境または実稼働環境で再現可能です。
カップリング単体の経済性 (110 ドルから 1.05 ドル) は、その部品がどのような量で稼働する場合でも、ほとんどの施設で機器を導入することを正当化します。しかし、より大きな価値は運用姿勢です。つまり、継続的に稼働する機械、異なる方法で製造を考えるチーム、そして従来の機械加工ではまったく達成できない形状の部品を製造する能力です。
ライアンの最後のセリフは文字通り受け取る価値があります。「Markforged のない私たちを考えるのは難しいです。」それはマーケティング上の感情ではありません。積層造形が実験からインフラストラクチャに移行すると、このように聞こえます。
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