3Dプリントは金型産業を破壊するか？

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投稿日：2019年11月11日 | 執筆：WayKen Rapid Manufacturing

製品製造は、実際の部品を加工・組立するだけでは完結しません。梱包開発、物流検討、そして何より重要な「金型（ツーリング）の開発・製造」といった追加タスクが多数含まれます。ツーリングとは、すべての部品を要求数量・仕様で確実に生産するために必要なコンポーネント全般を指します。ツーリング産業は世界中の企業に数十億ドルのコストをもたらし、製品総コストの最大50%を占めることもあります。しかし、金型の時間とコストを削減する新技術が開発されており、3Dプリントはその信頼性と将来性が実証された技術の一つです。

積層造形技術、通称3Dプリントは、従来の2Dデジタル画像を紙に印刷するプロセスになぞらえて名付けられました。技術が成熟するにつれ、精度、部品強度、表面仕上げ、材料範囲は劇的に拡大しました。5年前はモックアップやプレゼンテーション用途に限られていた造形部品が、今日ではエアバスエンジン、宇宙船、自動車に搭載される金属造形部品として採用されています。つまり、3Dプリントはツーリング用途でも実用段階に達しています。この急速な発展を考慮すれば、3Dプリントがツーリング製造のすべての従来プロセスに取って代わる可能性も十分にあり得ます。

プラスチック3Dプリントによるソフトツーリング代替

ソフトツーリングとは、高い耐久性を要求されない金型要素を指します。最も一般的な例は、プラスチック鋳造用シリコーン金型です。これらは様々な硬化シリコーン混合物から作られ、一方、射出成形用ハードツーリングは金属合金製です。耐久性はハードツーリングに比べて極めて低い（複雑さにより1〜1,000ショット程度）ですが、コストは大幅に安価です。シリコーン金型は試作、少量生産、カスタマイズに最適です。マスターモデルと1〜2組のダイ形式さえあれば、少量ながら意義あるバッチ生産が可能です。では、積層造形はここで従来プロセスをどう改善・置換できるでしょうか。

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積層造形による改善

第一に、3Dプリントは既にシリコーン鋳造において不可欠な役割を果たしています。マスターモデル製造に3Dプリントは必須です。単一のカスタム部品製造に優れ、形状複雑さが最終的な時間とコストにほとんど影響しないという利点があります。単一の複雑なカスタム部品こそが、プラスチック鋳造用マスターモデルの定義そのものです。マスターパート完成後、液状シリコーンに浸漬し、硬化後に2分割のダイが得られます。

さらに踏み込んで、シリコーンダイ自体を直接プリントできればどうでしょう。マスターパートとその後処理が不要になります。最新3Dプリンターは、必要な材料で必要な表面粗さを達成するには至っていませんが、より柔らかいポリマーでは極めて滑らかな部品を造形可能です。数年後には、より複雑な材料でも同等の精度が実現されるかもしれません。その時、従来のシリコーンツーリング産業は大きな転換を迫られることになります。

3Dプリントと射出成形金型産業

ソフトツーリングを見てきました。では、ハードツーリング産業に3Dプリントが何をもたらせるかを見てみましょう。この産業の大半は、プラスチック射出成形部品用の耐久性あるスチールダイです。しかし、ハードツーリングには金属鍛造ダイ、機械加工治具、測定クランプツール（特定部品向け専用測定装置一式）も含まれます。

様々な産業向けハードツーリング

ハードツーリングは一般的にCNC切削加工で製造されます。ダイと治具はステンレス鋼や硬質合金製で、さらに熱処理して寿命を延ばすケースも多々あります。これら材料は加工が非常に困難なため、ハードツーリング製造には多額のコストと製品リードタイムの大部分を要します。

ハードツーリングは通常、単品または極少量バッチで製造され、内部構造を持つ非常に複雑な形状であることが常です。この状況こそが、3Dプリントが最も得意とする領域です。しかし、積層造形がダイ製造に広く採用されているわけではありません。

積層造形がまだ普及しない理由

これにはいくつかの理由があります。一つは、金属積層造形がCNC切削部品レベルの精度と表面仕上げをまだ実現できていないこと。したがって、切削工具による後処理を完全に排除できず、後処理込みのコストが高くなります。しかし、最も重要な理由は、焼結部品の疲労特性が十分に研究されていないことです。つまり、造形部品の耐久性を信頼性高く予測できません。更なる研究試験で焼結材料の疲労曲線が確立されれば、積層造形を耐久部品に適用可能になります。また、金属部品焼結に適した材料の種類がまだ限られており、ダイのバリエーションが制限されています。

ツーリングの未来

金属3Dプリントの現在の限界を理解した上で、それらが克服された未来を展望してみましょう。複雑な部品を高精度で造形できるプリンターが実現すれば、製造スピードは飛躍的に向上します。ダイが数日で、かつ現在より大幅に安価に製造可能になります。単品切削コストは非常に高い一方、3Dプリントでのカスタム部品製造はバッチ生産よりむしろ利益が出ます。材料硬度は問題にならなくなります。局所的に溶融させるだけで、切削ではないからです。

最後に見逃せないのが、内部冷却チャネルへの貢献です。ドリルやボーリングでは深いキャビティや空間に到達できず、冷却ムラが生じます。しかし、積層技術ならあらゆる複雑な形状のチャネルを、効率的かつ均等にキャビティ全体に配置でき、ダイコストを増やすことなく実現できます。

結論

積層造形が従来の確実なツーリング製造法に取って代わるには、まだ長い道のりがあります。しかし、技術が成熟し、部品特性がより深く理解されれば、従来工法は勝ち目がなくなるでしょう。