F1 レースカーとMarine One の共通点は何でしょうか? 高性能のドライブトレインとエンジン部品の多くは、オーストリア アルプスの静かな小さな町、カップフェンベルクで誕生しました。

Pankl Racing Systems は、レーシングカー、高性能車両、航空宇宙用途のエンジンおよびドライブトレイン部品の開発と製造を専門とする企業で、1,500 人以上の従業員を擁し、オーストリア、ドイツ、英国、米国、スロバキア、日本に世界各国の子会社を有しています。

Pankl が製造するすべての部品には、その部品専用に設計および製造された一連のカスタム治具、固定具、およびその他のツールが必要です。その結果、カスタム ツールが急増し、製造プロセスのコストと複雑さが大幅に増加します。

厳しい生産期限を満たすために、プロセス エンジニアの Christian Joebstl 氏と彼のチームは、ステレオリソグラフィー (SLA) 3D プリントを導入し、同社の 3,600 万ユーロをかけた最新鋭の製造施設の製造ラインで、カスタム治具やその他の少量部品を直接製造できるようにしました。

3D プリントは当初懐疑的な見方をされていましたが、さまざまなツールを機械加工する理想的な代替手段であることが判明し、Pankl の要求の厳しいエンジニアたちも驚きました。あるケースでは、治具のリードタイムが 90% 短縮され (2 ～ 3 週間から 1 日未満に)、コストが 80 ～ 90% 削減され、15 万ユーロの節約につながりました。

Joebstl 氏と彼のチームが 3D プリントベースの新しいプロセスをどのように実装したかについては、以下をお読みください。

Pankl は 30 年以上この業界に携わっています。3D プリントは長年にわたり業務に携わってきたのですか?

驚いたことに、まったくそうではありませんでした。1年も経たないうちに、私たちは3Dプリンターをまったく持っていませんでした。同僚が、ショットピーニングマシンの衝撃から一部の領域を隠すためのカスタムカバーを依頼してきました。以前は、このような部品を外部のサプライヤーから購入していましたが、そのようなツール1つに約1,200ユーロの費用がかかりました。私は「別の方法があるはずだ」と考えていました。

学校で 3D プリントについてよく知っていたので、オンラインでレビューをいくつか読んでから探し始め、Form 2 3D プリンターを見つけました。同僚たちは今では 3D プリントの価値を理解していますが、最初は非常に懐疑的でした。彼らは 3D プリントはおもちゃのようなものだと考えていたのです。

私たちの業界では、良い機器は必然的に高価になるものと想定しています。当社の機械のほとんどは 10 万ユーロから始まり、それをはるかに超えます。同僚たちは Form 2 がわずか 3,900 ユーロほどであることを見て、「なぜおもちゃを買わなければならないのか」と私に尋ねました。

テストを行うために、カスタムサンプル部品を複数注文したところ、3D プリント部品は十分な性能であることがわかりました。穴と長さの許容差は ±0.1 mm の範囲内でした。償却計算のために材料費を調べたところ、ショットピーニング用の 3D プリントツールセットのコストはわずか 45 ユーロであることがわかりました。これを取締役会向けのプレゼンテーションにまとめ、新しいギア工場のキックオフミーティングに部品を持っていきました。最終的に取締役会は納得し、最初の Form 2 を購入することを決定し、すぐに 3 台にスケールアップしました。

3D プリントが生産スケジュールの短縮とコストの削減に役立ったケースはどのようなものですか?

Pankl は 2016 年に有名なオートバイメーカーのギアボックス アセンブリ全体の製造を委託され、新しい生産施設の設置を迅速に開始しました。これらのギアの製造は複雑なプロセスです。鍛造鋼部品は自動旋盤を使用して複数の段階の機械加工を経た後、熱処理と応力緩和が行われます。

自動旋盤での旋削の各段階では、ギアの種類ごとにカスタム治具が必要です。これらの部品の機械加工にはコストがかかり、製造プロセスに大幅な複雑さとリスクが加わります。

予想以上に多くの種類のギアを生産する必要があったため、スケジュールは厳しかったです。設計とツールの注文に取り掛かる頃には、すでに最初の受け入れロットの生産を開始することになっていたため、カスタム治具を設計して翌日に入手することはできませんでした。従来の機械加工サービス プロバイダーに外注していたら、生産を開始するまでにさらに 6 週間待たなければならなかったでしょう。そこで、Form 2 3D プリンターを使用して社内で部品を生産することにしました。

3D プリントでは、同じデザインをプリンターに送るだけで、翌朝までに完成品を準備できます。これにより、製造ラインでパーツをチェックし、必要な変更を加える時間ができます。また、設計プロセスが簡素化され、あらゆる形状の治具を製作できる設計の自由度がもたらされます。従来の CNC フライス加工や旋盤加工では、機械加工可能なパーツを設計する必要があるという制約があり、曲線、穴、面取りを追加するたびにプロセスが複雑になります。

1 台の Form 2 を使用すると、1 つの治具を 5 ～ 9.5 時間で印刷でき、3 台のマシンすべてを稼働させることで、1 週間以内に約 40 個の治具を製造できます。

機械加工された単純な治具のコストは約 40 ～ 50 ユーロですが、より複雑な部品になると最大 300 ユーロかかることもあります。3D プリントにより、これらの直接コストは 8.5 ～ 25 ユーロに削減され、設計、購入、保管にかかる間接費が大幅に削減されるため、全体的なコストが 90 パーセント以上削減されます。生産中に 1,000 個以上の治具を生産する必要があることを考慮すると、3D プリントにより、会社は 15 万ユーロ以上を節約できます。

これらの部品は生産ラインでどのように機能したのでしょうか?

旋盤の冷却媒体はプラスチック部品に非常に悪影響を与え、時間が経つと脆くなってしまうため、これまで多くの問題がありました。Tough Resinで 3D プリントした部品は当社の冷却媒体に対する耐性を示しており、これらの部品が耐えなければならない断続的な負荷に耐えるだけの強度があります。穴と長さの許容差は通常 ±0.1 mm 間隔内に収まっており、当社の治具の要件を満たしています。

当社では、すでに 300 個以上の 3D プリント治具を製造し、試作生産用に各ギアの部品を 200 個ずつ小ロットで製造しています。近いうちに、生産量を 1 バッチあたり 1,000 ～ 2,000 個に拡大し、施設の生産能力は年間 150 万個以上に増加する予定です。

3D プリントを使用した他のアプリケーションにはどのようなものがありますか?

試作、ショットピーニング、マスキング、さまざまな治具やツールの製造。たとえば、新しいコネクティングロッドの設計がある場合、部品の複雑な機能について検討するためにプロトタイプを 3D プリントします。部品を実際に見て、手に持つことができれば、作業がはるかに簡単になります。

かつて、顧客のためにカスタムのコネクティング ロッドを設計する必要がありました。顧客は、コネクティング ロッドがシリンダーの組み立て室に収まるかどうか、また回転中にチャンバーやシリンダー ヘッド自体に当たらないかどうかを確認したいと考えていました。

そこで、プロトタイプを 3D プリントして顧客に送りました。設計が機能することを顧客が確認すると、自信を持って生産を開始できました。別の方法としては、機械加工部品を製造する必要がありましたが、顧客にとってはコストが高く、8 週間の待ち時間が必要でした。

また、自動ハンドリング システムのグリッパー用の特別なアダプターも 3D プリントしました。グリッパーと部品の完璧なグリップを実現するには、部品のネガを取り、部品の形状に合わせてグリッパーのフィンガーを形成する必要があります。通常は、フライス加工または鋳造を行うことになりますが、これでは大幅にコストが高くなります。

最近、ショットピーニングマシンでフレキシブル樹脂を使用して、セルフクリーニングジグと他の部品間の摩擦を増やしました。金属部品間の摩擦が低すぎて、回転運動を伝達できませんでした。ツールに 3D プリントした弾性ブレーキを追加して摩擦を増やし、回転運動が下から上に伝達されるようにしました。これらの部品を外部ベンダーから入手するには数週間かかったでしょう。

Pankl 内で 3D プリントを使用する予定は他にもありますか?

私の目標の 1 つは、Pankl 内の他の部門からより多くの注文を獲得することです。当社の生産ラインでは 3D プリント部品で成功を収めており、3D プリントのメリットを享受できる用途は他にも無数にあります。他のエンジニアに当社が製造する部品や、それらを使用する用途を見せて、この技術が社内で利用できることを知らせたいと思っています。

このプロジェクトを始めたのは、他の同僚が私たちの新しいプロセスに興味を示したときでした。私は、3D プリント材料の機械的特性、外観、適切な使用例などの情報を配布しました。また、他の部門用にサンプル部品を印刷し、設計仕様と注文方法を説明しました。

Form 3と4で何が作れるか見てみましょう

さまざまな素材を調べて、ニーズに合ったものを見つけてください。

すでに航空宇宙部門とドライブトレイン部門向けの部品を印刷しています。彼らは設計図を送ってくれて、私たちは彼らのために部品を製造し、彼らは機械で使用できる完成部品を受け取ります。ただし、Pankl は大企業なので、このプロセスは時間がかかります。当初私たちの部門で経験したのと同じハードルを乗り越えなければなりませんし、他の多くの企業も 3D 印刷について同様の懸念を抱いていると思います。しかし、私たちが達成した結果を見ると、彼らもこの技術の価値を認めてくれると確信しています。