鋳造所の革新：3Dプリンティングで製品開発を加速

鋳造所が3Dプリンターを活用し迅速な製品設計を実現する方法

製品開発は発見のエキサイティングなプロセスです。新製品への投資は、顧客ニーズへの企業コミットメントを示します。研究開発には長い時間がかかり、モデルとプロトタイプの構築・調整の反復が必要です。何が機能し、何が機能しないかを学ぶには時間がかかります。3Dプリンティングは、金属製品を含む多くの製造品の設計を迅速化する非常に有用なツールです。

なぜプロトタイピングが必要か

プロトタイピングは製品製造における必須段階で、理論設計と最終動作製品の間の大きなギャップを埋めます。製品設計者に実物モデルを扱い、そこから学ぶ機会を与えます。新しいアイデアをテスト・試行し、最終製品へ向けて改良・洗練することが目標です。

新製品設計時、形状と機能は異なる段階でテスト可能です。一部プロトタイプはサイズと外観検証のみを目的とします。他は機能とフィットの特定特性テスト向けに設計されます。

ラピッドプロトタイピングについて知っておくべきこと

いくつかの標準的プロトタイプがあります。伝統的に最も基本的なプロトタイプは、図面やデジタル設計から職人が作る紙、木材、発泡素材のモックアップです。設計プロセス中、より複雑な更なるプロトタイピング段階が作られることがあります。量産開始前、工場はテストランを行い、製品品質評価と工場プロセス評価のための生産プロトタイプを作ります。

ラピッドプロトタイプは、初期プロトタイピング段階の多くの有用性と効率を向上させます。職人が伝統的にモックアップを作り、生産プロトタイプは通常カスタム工具を必要としてきたため、プロトタイピングは一般的に遅く高コストでした。その場でプロトタイプを印刷・調整できることは、これらの反復設計段階を大幅に短縮します。場合によっては、プラスチックプロトタイプが生産プロセスの合理化に役立ちます。鋳造方法では特にパターンと/またはダイの使用が必要で、これらは高価——大量生産で投資回収できる場合にのみ正当化されます——3Dプリンターでのパターンモックアップ作成により、より大規模な木製・金属パターン制作前に問題を発見できます。

もちろん、これらは生産プロトタイプではありません。この期間にプラスチックを金属に置き換えることは、一部金属特性をチェックできないことを意味します。3Dプリンターでボラードを実寸大プラスチックで印刷することは、単位あたりでは鋳造よりはるかに高コストです。しかし、スケールモデルを印刷すれば設計者が検討・操作できるものが得られ、そこから生じる変更はデジタルCADファイルの微調整と迅速な再印刷のみで済みます。

多くのプロトタイプは最終製品より小スケールおよび/または低ディテールで制作されます。最終設計の一部または側面のみを表しますが、設計初期段階での意思決定に価値があります——後で修正するよりコストが低いためです。

3Dプリンターによるラピッドプロトタイピング

3Dプリンティングによるラピッドプロトタイピングは積層造形技術を使用します。デジタル設計またはCADモデルは、通常コンピュータアルゴリズムによって多数の微細な水平層に「スライス」され、それらが一層ずつ印刷されます。

3Dプリンティングは70〜80年代から様々な形で存在しましたが、商業規模で有用になったのは最近です。制約はありますが、技術は急速に進化しています。最先端3Dプリンターは、異なる特性と色を持つ複数材料を印刷可能。直接金属レーザー焼結（DMLS）プリンターなら金属製品さえ印刷可能です。

サイズ制約と3Dプリントプロトタイプの表面品質は近年大幅に改善され、設計者が初期開発フェーズを反復する際に特に有用になっています。

3Dプリンティングによる金属部品製造

DMLSプリンターは金属鋳造・加工産業に挑戦する存在になるか？ 3D産業はダイナミックで、新開発がほぼ毎日発表されています。アムステルダムのMX3Dによる3Dプリント橋のような大規模プロジェクトは、構造製造においても大きな可能性があることを示しています。それでもこの形態の印刷は伝統的金属製造と競合関係にはありません。これらの発展があっても、3Dプリンティングは今後数十年で大規模な伝統的金属製造を置き換えるより、むしろ補完・強化する方向性が強いです——アムステルダムの橋でさえ、デッキ支持に伝統的な生鋼が使用されています。

3D金属印刷は、もちろん溶融金属を注いで層を重ねるものではありません。現在の技術は、金属粉末を非金属マトリックスに組み込み、加熱・パイピングして成形します。一部プロセス（上記橋梁では採用されていませんが）では、その後金属を加熱しマトリックスを蒸発させます。

このプリント金属はプラスチックより強度が高いかもしれませんが、伝統的鋳造所で利用可能な幅広い合金の範囲を提供することはできません。多くの特定グレード鋼鉄に必要な非常に高温と制御冷却条件は、温度と圧力のトリッキーなバランスで、一つのグレードと別のグレードを達成するために働きます。さらに、鋳造品の一部分が他より速く冷却されると金属ひずみが生じ——接合部で制御する必要があります。3Dプリンティングは順次層を堆積させてオブジェクトを構築します：これが従来の特定フェロ合金に必要な準溶融鋼で可能だとしても、異なる冷却レベルによる応力が、フルキャスト品と比較して金属特性を根本的に変化させます。

それでも、金属プリンターで印刷される材料はプラスチックより鋼に近いです。エキサイティングなことに、鋳造所にとってこの金属印刷技術は、将来的にラピッドプロトタイプの機能テストを可能にするかもしれません。金属部品を安価に印刷し、相対的応力下に置き、その後生産プロセスで微調整——そんな日が来るかもしれません。

今日の鋳造所のためのラピッドプロトタイピング

鋳造設備と技術は数世紀の学習と開発で改善されてきました。砂型鋳造は製造業者に、溶融・冷却状態での金属振る舞いに対する大きな制御を与え、これが金属の機械的特性を変化させます。鋳造プロセスで異なる処理を受けた金属は異なる形状で結晶化し、それぞれが追加特性のために加工可能です。これが金属鋳造を通じてクライアントに利用可能な機械的特性の範囲を説明します。

しかし、これらの鋳造用パターン製作には、砂型に形成する木製パターンの手作業彫刻が必要でした。これらのパターンは、金属が「プール」してより遅く冷却し、部品に内部応力を生じさせる場所を持たないよう作る必要があります。砂型から引き抜くため十分滑らかである必要もあります。印刷オブジェクトの作成により、設計者と鋳造所はプロジェクトに最適な、最も効率的で最良の形状のパターン作成に役立つオブジェクト変更を検討できます。

インベストメント鋳造は、複雑な設計と表面品質が重要な場合に特に適した、高量生産向けの汎用プロセスです。インベストメント鋳造では、ワックスパターンを生産するためダイが通常作られ、それらがコーティングされセラミック型を形成。ワックスパターンは容易に溶解除去され、溶融金属準備完了の型腔が残ります。

しかしダイは製造コストが高く、設計初期段階で単位コストを大幅に押し上げます。多くのメーカーが行っているのは、プロトタイプ用ワックスパターンを3Dプリントすること——高価なカスタムダイの必要性を排除。設計者はパーツをレビューし、長期生産向けのより高価な工具へコミットする前に最終バージョンへ向けて作業できます。パターン印刷は短期生産とワンショット生産でもより経済的です。インベストメント鋳造では、3Dプリンターが最終パターンを作成して使用できます。

ラピッドプロトタイピング革命

3Dプリンティングは金属鋳造における革命です、伝統的金属製造を置き換えないとしても。伝統的セクターは、この急速に発展する技術の未来が伝統的生産実践をどう強化できるかを想像する際、想像力のみによって制限されます。プロトタイピングでの節約により、本格生産前により多くの微調整と変更、追加反復が可能になります。3Dプリンティングの未来に何が来ようと、それは最高の製品をクライアントに提供しようとするすべての設計者にとって、確実に有益なツールとなるでしょう。