フェイスシールド量産への挑戦：3Dプリントから射出成形への迅速な移行

COVID-19パンデミックが米国を襲った際、Fast Radiusのチームは迅速にアディティブ製造能力の大部分をフェイスシールド生産に転換しました。これまでに数千個の3Dプリント製フェイスシールドを製造・出荷し、最前線で働く人々をコロナウイルスから守ってきました。このシールドは再利用可能で、非常に耐久性が高く、組み立てが簡単、快適な装着感ですが、需要はアディティブ生産能力を大きく上回りました。

より多くの人々に製品を届けるため、生産を射出成形に移行することを決定しました。射出成形には2つのメリットがあります。大量生産が可能になること、材料コストの低減と製造スピードの向上により製品コストを大幅に下げられることです。

お客様との仕事では、射出成形生産が軌道に乗るまでの間、積層造形技術で部品を製造することがよくあります。私たち自身のストーリーは、デジタル製造技術を活用して積層造形製品を射出成形向けに再設計する好例となりました。

シミュレーションツールによる迅速な設計イテレーション

シールドの「ハロ」（ヘッドバンド）の積層造形設計を大幅に修正し、射出成形に適したものにしつつ、性能を維持する必要がありました。薄肉の鋼材によるツール損傷を防ぐため、剛性を最適化する必要があると分かっていました。現在のハロの剛性が良好だったため、積層造形ハロの変位変動をシミュレーションし、その変位を射出成形設計の剛性目標として設定しました。

剛性に寄与する要素を理解するため、有限要素法解析（FEA）を用いて、より良い結果を生む設計変数を特定しました。設計、解析、シミュレーションなど多目的に使用しているAutodesk 360のシミュレーションパッケージを活用しました。外側リング前面のクラウン（冠部）とリブパターンの両方をテストしました。リブも剛性向上に寄与しましたが、クラウンの高さを増す方が変位最小化により効果的でした。

しかし、クラウン高さを増すと、外側リングと中間リングの間で「薄肉鋼材」（薄い工具鋼）という悪い工具条件が生じる可能性があります。シールドを挿入するスロットは非常に薄く、1〜2ミリ程度です。クラウンのセクションが高くなるほど、金型に必要な薄肉鋼材が多くなり、成形工程で工具鋼が損傷しやすくなります。

薄肉鋼材を減らしつつ、ハロ外側リングの剛性を保つ最適なクラウン高さを見つける必要がありました。これを決定するため、設計を少しずつ調整しながら16回のシミュレーションを実行しました。この設計段階では、積層造形ハロと同等以上の変位性能を持つ設計が複数得られていました。

HP Multi Jet Fusion（MJF）による迅速なプロトタイピング

シミュレーションで得られたコンセプトから3つを選び、HP MJFでプリントしました。これは元の積層造形ハロの製造に使った技術と同じです。通常MJFパーツが十分冷却されるまで3日かかりますが、製造エンジニアチームがビルド梱包を工夫し、翌日パーツを入手できました。

Fast Radiusシカゴ工場のオペレーションチームが、3つのコンセプトハロと元の積層造形版を装着し、快適さと組み立てやすさを比較しました。コンセプト10（上記3番目の設計）がシールドの着脱が最も容易でしたが、快適性と組み立てやすさの改善点がいくつか提案されました。その結果得られた設計（下図）が、次世代フェイスシールドハロを製造する射出成形金型の製作に用いられました。

最終的に、積層造形から射出成形への切り替えにより、ハロを必要とする人々により手頃に提供できるようになりました。価格を55%削減できました。

積層造形ハロの生産を始めたとき、予測不可能な需要に応えていました。製品をよりアクセスしやすくできると分かると、積層造形設計を射出成形向けに修正し、わずか3日で金型を生産態勢に入れました。

チームはこの重要な製品を市場に届けるため昼夜を問わず働きました。この驚異的なタイムラインの達成は、シミュレーションソフトウェア、デジタル製造、アジャイルな働き方のモデルのおかげです。このパンデミックは、製品開発サイクルをより柔軟にすることを強いましたが、この傾向はパンデミック終息後も長く続くと考えています。

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