3Dプリンティングが砂型鋳造に革命をもたらす

砂型鋳造には数千年の歴史があり、その間ほぼ変わることなく続いてきました。しかし今、3Dプリンティングのおかげで状況が変わりつつあります。それらの取り組みによる成果をいくつか紹介します。

老舗企業のイノベーション継続を支援

今日の激しい競争市場では、100年以上前に設立された企業であっても、顧客を満足させ、他社へ流れないよう継続的に改善しなければなりません。D.W. Clarkは複数合金の金属鋳造会社で、砂型鋳造工法に3Dプリンティングを導入し、顕著な成果を上げました。

同社はリードタイムを数ヶ月から数週間に短縮し、従来の工具とパターン作成工程を排除したと報告しています。D.W. Clarkはバインダー・ジェッティング技術を使用しており、副社長のジェフ・ビュレク氏が潜在的な時間短縮の例を挙げています。

「ある顧客から、インペラの仕上げ加工を2週間で完了してほしいと依頼されました。機械を数回稼働させただけの状態でしたが、金型設計を数日で行い、プリントし、鋳造し、熱処理し、仕上げ加工まで、すべて2週間以内に完了できました。」

砂型鋳造に3Dプリンティングを導入するもう一つの利点は、複雑な部品の製造に関連するコストを削減できることです。プリンターはデジタルファイルから作業し、必要に応じて担当者が迅速に複製できます。さらに、同社が選んだプリンターは従来の鋳造プロセスより少ない砂を使用します。つまり材料費の削減につながります。

このケーススタディは、砂型鋳造がいかに老舗企業の関連性維持と顧客ニーズへの対応を支援し、レジリエンス維持に役立つその他のメリットももたらすかを示す好例です。

コストを抑えながら試作を促進

砂型鋳造への3Dプリンティング適用は、試作期間を短縮したい企業にとっても魅力的な選択肢です。GRATZ Engineeringはドイツ国内に複数の拠点を持ち、約250名の従業員を擁する企業です。同社は、砂型鋳造プロジェクトで3Dプリンティングを使用することが、特に試作段階で有利であることを発見しました。同社は通常、3Dプリンティングを用いた砂型鋳造と、直接金属レーザー焼結（DMLS）に依存しています。

部品管理責任者のアンドレアス・シュタインブロン氏はこう語ります。「レーザー焼結のような金属3Dプリントは、速度が問題でなければ常にコストが高すぎます。試作に2〜3週間の猶予があるなら、一般的に従来の金属鋳造と3Dプリント砂型、またはポリ(メタクリル酸メチル)製のインベストメント鋳造パターンの組み合わせを好みます。」

シュタインブロン氏は続けます。「これはコストを大幅に削減し、もちろん部品の耐久性と安定性が向上することも利点です。最も実用的な側面は、大きな造形体積と高速なプリント速度です。」

3DプリントとDMLSの直接比較もありました。「バインダー・ジェッティング・プリントシステムでは、ターボチャージャーなどの試作バリエーションを、一度の3Dプリントプロセスで並列かつネスト状に複数生産できます。DMLSでは1段ずつしかできません。」

より軽量で薄肉な新設計の試作を可能に

砂型鋳造は複雑な金属部品の製造法として永続的に人気があります。効率性とコスト効率に加え、再利用性という側面もあります。砂型鋳造で作られる各金型は使い捨てです。しかし、完成品を金型から取り出した後、砂混合物を将来の成形プロジェクトのために再利用できます。

砂型鋳造と3Dプリンティングの組み合わせは、別の種類の持続可能性を提供します。クライアントが試作品を徹底的に検査し、量産開始前に厳格なテストを実施できるため、大幅な時間とコストの節約になります。

イギリスのBrooks Crownhill Ltd.（BCP）は、電気モーターのハウジングと自動車部品の製造に3D砂型鋳造を使用しています。同社のセールスディレクター、リー・ヘンダーソン氏は、この新興プロセスに馴染みがあることを明かしています。

「私たちはかなり前から3Dプリントと鋳造、またはプリント鋳造を使用しています。その莫大な利点は明らかです。プロセスが速く、コスト効率が良く、設計者に莫大な創造的自由を与えます。これは、確立されたコンポーネントを再考し、例えばコンポーネントのトポロジーを最適化することで可能な限り材料を節約する上で重要です」とヘンダーソン氏は語ります。

ヘンダーソン氏はまた、砂型鋳造への3Dプリンティング活用が、新たな顧客ニーズへの対応をどう可能にしたかを語りました。顧客はより頻繁に、より軽量で薄肉な新設計を求めるようになっています。従来のフライス加工やコア射出のようなプロセスでは、顧客部品の幾何学形状に対応できませんでした。しかし、3Dプリンティングを用いた砂型鋳造なら対応可能です。ヘンダーソン氏は、3Dプリンティングと砂型鋳造がもたらすメリットを多くの人がまだ認識していないと述べています。しかし、こうした成果がこの選択肢の普及を後押しするかもしれません。

鋳造所の不動産再活用を実現

3Dプリンティングが選択肢になる前、鋳造所は施設の広い区画をパターン・マッチプレートの保管に割くことを余儀なくされていました。これらのパターンは、顧客のために作られた部品の複製品です。鋳造所で働く人々は、顧客が再び部品製作を依頼したときにそれらのプレートに頼ります。それらのマッチプレートの列は非常に広大になり、鋳造所が倉庫を借りて保管するケースも珍しくありません。

しかし、3Dプリンティングはデジタルファイルに依存するため、砂型鋳造にこれを用いる企業は、物理的なマッチプレートを現場に保管する慣習を最小限に抑える、あるいは完全に排除できます。Viridis3Dで働くハワード・レット氏は、3Dプリンティングが提供するデジタル化により、企業が湿度管理や害虫対策といった問題を心配しなくて済むようになると指摘しています。
代わりに、中〜低頻度使用のパターンをUSBドライブに保存できます。これは持ち運び可能な選択肢であり、従来の保管方法に伴う多くの不便を解消します。十分なスペースを確保できれば、事業拡大など他の用途に転用できます。
さらに、顧客ファイルをデジタル形式で持つことで、鋳造所が顧客注文を受けてから作業開始までの時間が短縮されます。場合によっては、鋳造所作業員がデジタルファイルを受け取った当日に大型金型へ溶湯を注入できます。

プロセスが複数のメリットをもたらすことを実証

継続的な研究により、砂型鋳造に3Dプリンティングを採用すれば多くの利点が期待できることが示されています。ある調査では、ポンプボウルの製造において3Dプリントと従来の砂型鋳造を比較しました。

3Dプリントアプローチでは、砂型鋳造金型のパーツをプリントするのにわずか26時間しかかかりませんでした。従来アプローチでは同段階に到達するのに6週間以上必要だったのと比較して、大幅に短い時間枠です。 また、3Dプリントされたボウルは従来鋳造品より約300ミクロン滑らかでした。また、従来鋳造ボウルよりほぼ27%軽量でした。

別の研究プロジェクトでは、3Dプリントで作製したセラミック金型（砂型鋳造用）と従来技術を比較しました。3Dプリント製は95%軽量で、金属歩留まりが従来鋳造セラミック金型比で29%最適化されました。もう一つの違いは、従来法では製作にほぼ2倍の時間がかかったことです。ツーパートパターンの作成と表面研磨が必要だったためです。

3Dプリンティングは砂型鋳造のゲームチェンジャー

これらの例は、なぜ3Dプリンティングが従来の砂型鋳造に対する魅力的な代替手段としてより頻繁に見られるようになっているかを示しています。まだ主流の実践ではありませんが、それはすぐに変わるかもしれません。より多くの企業がこれを試し、印象的な結果を得るにつれ、他の鋳造所も追随し、この技術をより一般的なものにすべきです。