スペアパーツと交換部品は、機器が損傷して修理や改修が必要になったときに機器のダウンタイムを削減し、運用効率への影響を最小限に抑えるのに役立つため、製造工場と一般ユーザーの両方にとって重要なコンポーネントです。
企業がこれらの重要なスペアパーツを入手して供給するには、高価な在庫を維持し、複雑かつ絶えず変化するサプライ チェーン全体でそれらを管理する必要があります。
しかし、サプライヤーが倒産したり、生産と配送のリードタイムが長くなりすぎたりするとどうなるでしょうか?
スペアパーツや交換部品の製造に 3D プリント技術を使用することは、サプライ チェーンの不確実性と現在のスペアパーツ不足に対処するための非常に有望なアプローチになりつつあります。
今日では、3D プリンターは、次のようなさまざまな部品の作成に使用できます...
DIYスペアパーツ
臨時交換部品（応急交換部品）
これは、従来のプロセスを使用して元々製造された部品を置き換えることができる、耐久性があり長持ちする交換部品にまで及びます。
このアプローチにより、メーカーはスペアパーツの大量在庫を保持する必要性を減らし、代わりにオンデマンドのスペアパーツ生産に切り替えることができます。
このガイドでは、適切なテクノロジの選択に関するアドバイスや、さまざまな業界における実際のアプリケーション例など、積層造形を使用したデジタル交換部品の作成と製造に必要な手順について説明します。
ステップバイステップのプロセス: スペアパーツと交換部品を 3D プリントします。
1. 実現可能性を確認します。
スペアパーツは、システム内で連携して動作するコンポーネントです。したがって、3Dプリントされた部品が正しく機能することを保証するには、まず部品の形状、用途、そして部品が耐える機械的力といった技術仕様を考慮する必要があります。重要な基準をいくつか見ていきましょう。
幾何学（形状）:
3Dプリンターはほぼ無制限の設計自由度を提供するため、従来のツールで製造した部品は3Dプリントでも製造できる可能性が非常に高いです。ただし、コスト削減、印刷速度の向上、部品の強度向上のために、若干の設計変更が必要になる場合があります。
サイズ：
部品は3Dプリンターの造形領域に収まるサイズにする必要があります。デスクトップ型やベンチトップ型のプリンターの場合、造形領域は通常、各辺15～30センチメートルです。部品が大きすぎる場合は、複数の小さな部品を組み立てることで代替設計を作成することができます。
材料：
3Dプリンターは、ほとんどのプラスチック部品、さらには一部の金属部品も置き換えることができます。選択する材料は、元の部品の特性に可能な限り近いものを選ぶ必要があります。
応力（部品が耐えなければならない力と荷重）:
交換部品が受ける圧縮、引張、衝撃などの負荷を考慮してください。部品の長寿命化が求められる場合は、より高度な3Dプリント技術とエンジニアリング材料を選択してください。
3D プリントされた部品はすべての要件を満たさない場合もありますが、多くの場合、一時的な代替品として使用して、機械のダウンタイムを削減できます。
このような状況では、3Dプリント部品が機械の正常な動作を維持するために使用されますが、長期的な耐久性には限界があります。これらの部品は、より耐久性の高い交換部品が利用可能になるまで使用されます。
2. 3Dモデルを入手します。
部品が 3D プリント可能であることが確認されたら、次のステップはその部品の 3D モデルを取得することです。
交換部品が自社製品であり、以前に CAD ソフトウェアを使用して設計されたものである場合、その部品のデジタル ファイルは通常、すでに入手可能です。
サードパーティのツールや機器の場合、メーカーによっては、部品のオリジナルの CAD ファイルを公開して使用できるようにしている場合があります。
デザイン テンプレートが存在しない場合は、CAD ソフトウェアを使用して自分で新しいテンプレートを作成するか、専門的なデザイン サービスに依頼することができます。
単純な形状の部品の場合は、手動で計測し、CAD でモデルを作成することでモデリングを行うことができます。
ただし、より複雑な形状の部品の場合、リバース エンジニアリングと 3D スキャンを組み合わせると、オリジナルにできるだけ近い再作成された部品を設計および製造するための非常に効率的なプロセスになります。
リバースエンジニアリングとは、3D スキャナーを使用して物体の表面情報を収集し、3D モデルの構築に必要な 3 次元データ構造であるメッシュを作成するプロセスです。
3. 3D プリントを使用してスペアパーツを印刷します。
印刷準備ソフトウェアを使用して 3D 印刷用の CAD モデルを準備し、ファイルを 3D プリンターに送信します。
適切な印刷技術と材料を選択することは非常に重要であり、次のセクションではこれに関する具体的なアドバイスを提供します。
一般的に、3D プリントされた部品には、次のような何らかの後処理が必要です。
ワークピースの洗浄。
残留粉末材料の除去（脱粉）
支持構造の除去
後硬化は、材料の強度を高めるための追加の熱処理プロセスです。
剥離（サンディング）
その後、部品はそのまま使用することも、用途に応じて次のような追加の仕上げ工程を経ることもできます。
表面を滑らかにする
絵画
コーティング
またはその他のカスタマイズ プロセス。
4. テストと反復
交換部品が入手可能になったら、3D プリントされた部品が設計どおりに機能することを確認するためにテストを実行する必要があります。
テスト結果で部品にまだ欠陥があることが判明した場合、3D 印刷技術により、迅速な設計変更と再印刷が可能になり、交換部品のパフォーマンスが向上します。
テストの強度はコンポーネントの用途に応じて異なります。
臨時交換部品（応急交換部品）の場合は、一定期間機能を果たすことができれば十分な場合もあります。
ただし、 3D プリントされた部品を従来製造された部品の恒久的な代替品として使用することを意図しているメーカーの場合、新しい部品は元の部品と同じテスト プロセスを経る必要があります。
さらに、3Dプリントプロセス特有の特性、例えば印刷方向によって変化する部品の強度なども考慮する必要があります。これは、部品の性能と長期的な耐久性に影響を与える重要な要素です。
3D プリント交換部品に適したテクノロジーと材料を選択します。
3D プリント技術は、数十年にわたって試作や製品開発に広く使用されてきました。
現在、この継続的に進化する技術は、実際の産業製造プロセスで広く使用され始めています。
製品開発プロセスでは、多くのメーカーが 3D プリントの柔軟性を活用して、次のような社内ツールを製造しています。
ジグ
備品
さまざまなタイプの製造支援。
これには、次のようなラピッド マニュファクチャリング用のツール (ラピッド ツーリング) の製造が含まれます。
プラスチック射出成形用金型
熱成形プロセス用の金型。
最近の機械、材料、ソフトウェアの進歩により、高精度で実用的な工業規模の 3D プリント部品を生産する新たな機会が生まれています。
したがって、印刷された部品は、次のような最終使用部品の置き換えに使用できます。
耐久性のあるスペアパーツ。
長期使用を想定して設計された交換部品。
3D プリンターはプラスチック製の部品を製造するために最もよく使用されますが、金属用の 3D プリンターも利用可能ですが、一般的にかなり高価です。
現在利用可能な 3D プリンターにはさまざまな種類があり、プラスチック部品の製造に最も広く使用されているプロセスは次のとおりです。
熱溶解積層法（FDM）
光造形法（SLA）
選択的レーザー焼結（SLS） 以下は、特にスペアパーツ製造の観点で、使用できる材料と適切な用途を含むこれらのプロセスの簡単な比較です。
| 熱溶解積層法（FDM） | 光造形法（SLA） | 選択的レーザー焼結（SLS） | |
|---|---|---|---|
| 正確さ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| 表面仕上げ（ワーク表面の品質） | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| スループット（生産量／生産速度） | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| 複雑な設計（複雑な設計作業をサポート） | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| 使いやすさ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| 材料（入手可能な材料） | ABS、PLA、各種複合材料などの標準的な熱可塑性プラスチック。 | ABS 類似樹脂、PP 類似樹脂、柔軟樹脂、耐熱樹脂、剛性樹脂などの高度な特性を持つエンジニアリングプラスチックを含む、多種多様な樹脂を取り揃えています。 | 柔軟性が求められる部品には、ナイロン 11、ナイロン 12 などのエンジニアリンググレードの熱可塑性プラスチックや、TPU などの複合材料が使用されます。 |
| 理想的な用途 | シンプルな交換部品 | ||
| 一時的な解決策（応急処置） | 単純な交換部品と複雑な交換部品の両方。 | ||
| 一時的な解決策 | |||
| 高いディテールと滑らかな表面仕上げが求められる部品。 | 単純な交換部品と複雑な交換部品の両方。 | ||
| 一時的な解決策 | |||
| 強度、安定性、耐久性に優れた実用交換部品です。 |
従来の製造プロセスのほとんどでは高価な産業機械、特殊な生産施設、高度なスキルを持つオペレーターが必要ですが、3D プリントでは運用コストが低く、インフラストラクチャ要件が最小限で、社内での部品生産が可能になります。
プラスチック部品の製造に使用されるコンパクトなデスクトップまたはベンチトップの 3D 印刷システムは、手頃な価格で、必要なスペースも最小限で、操作に高度な専門スキルを必要としません。
緊急でない交換部品の場合、アウトソーシングも選択肢の 1 つですが、この方法では、従来のスペアパーツ在庫管理と同様の課題が伴うことがよくあります。
納期には数週間かかる場合がありますが、ほとんどの部品の3Dプリントは24時間以内に完了します。外付け部品の到着を待つと、機械のダウンタイムが長引いたり、生産効率が低下する可能性があります。
デジタルファブリケーションを使用してスペアパーツを製造します。
製造業者にとって、スペアパーツの在庫管理と交換部品の生産システムをデジタル化することで、次のような多くの従来の問題を軽減または排除する機会が生まれます。
サプライチェーンの問題
最小注文数量
古くなった部品や使われなくなった部品によって生じる損失もあります。
デジタル倉庫を作成することは、在庫管理コストを削減する費用対効果の高い方法です。
このシステムを 3D プリントなどの社内デジタル製造ツールと統合すると、オンデマンドの製造アプローチをサポートできます。
このアプローチにより、メーカーは...
コストと生産リードタイムを削減します。
回復力と問題への対処能力を高めます。
また、機械が停止する時間（ダウンタイム）も短縮されます。
デジタル データ ウェアハウス、またはデジタル スペアパーツ ウェアハウスは、次のような目的で使用されます...
スペアパーツの設計ファイルを保管します。
部品を体系的に分類します。
部品表を改善および管理して効率性を高めます。
これには在庫データの管理が含まれます。
次に、3D プリンターやその他のデジタル製造ツールを使用してこれらの部品を製造し、物理的な在庫を補充するか、必要に応じてすぐに交換品を製造します。
ケーススタディ：企業が3Dプリントを活用して交換部品を製造する方法
交換部品は3Dプリントの最も一般的な用途の一つです。自動車部品のプリントからカスタムメイドのロボットグリッパーの作成まで、Formlabsのお客様による実際の事例をいくつか見てみましょう。
受賞歴のあるカスタムカーショップである Ringbrothers は、当初はプロトタイプ作成ツールとして SLA (Stereolithography) 3D 印刷技術を社内に導入し、より迅速かつコスト効率の高い変更と開発を可能にしました。
この技術を実装した後、彼らは 3D プリントを使用して作業の品質と創造性を高める新しい方法を発見し、クラシックカーの交換部品を含む最終使用部品を製造できるようになりました。
ミラープロジェクトでは、チームは最終組み立て構造の一部として3Dプリントされた部品を使用しました。これらの部品は恒久的な組み立て固定具として機能し、カーボンシェル内に固定され、他の部品はそこにねじ止めされました。
別のケースでは、チームは鋳造可能な 3D 印刷材料を使用してプロトタイプを印刷し、それを特注の自動車プロジェクト用の金属エンブレムに鋳造しました。
製品開発の専門家であるマット・モーズマン氏は次のように述べています。
「ワックスの原型を3Dプリントして、地元の宝石職人に店内で鋳造してもらうことができなければ、これほどの精密さは実現不可能だったでしょう。」
もうひとつの例は、世界最大の家具メーカーであるアシュリー・ファニチャーです。同社は3Dプリントからロボットによる自動化まで、新しい技術を工場に取り入れています。
ウィスコンシン州アルカディアにあるアシュリー・ファニチャーの工場では、最大700 個の3D プリント部品が生産ラインで使用されており、産業用ロボットや CNC フライス盤などの他の産業機械と連携して、工場内での組み立てからさまざまな部品の製造まで行われています。
製造補助としての使用に加えて、生産ライン（製造現場）での機械の交換部品の製造にも非常に役立ちます。
あるケースでは、ポイントツーポイント掘削機用の真空リテーナーリングを個別に購入することができず、製造元は完全なアセンブリのみを販売しており、非常に高価でした。
「メーカーはリングだけを販売していません。700ドルで組み立てキット全体を購入する必要があります。」
生産エンジニアのブライアン・コンケル氏は次のように語った。
「最終的に、部品を3Dスキャンして幾何学的形状をキャプチャし、交換部品をわずか1ドルで3Dプリントすることにしました。これにより、新しいアセンブリ全体を購入する必要なく、掘削機が機能し続けるようになりました。」
同社は、700 ドルかけて新しいアセンブリ全体を購入する代わりに、3D プリントを使用して、交換部品のみをわずか 1 ドルのコストで製造することを選択しました。
Productive Plastics は、カスタムプラスチック熱成形部品の製造と設計を専門とする大手契約製造会社です。
同社の工場には合計 6 つの製造セルがあり、複数のプロジェクトを同時に処理することができます。
各生産セルは次のもので構成されています。
工業用熱成形機
CNCフライス盤
集合場所
操作を管理および監視するためのコンピュータ システム。
いずれかの機械の冷却ファンが損傷すると、熱成形機は使用できなくなり、セル生産プロセス全体が停止してしまいます。
チームは、サプライヤーに交換部品を注文すると、受け取るまでに 6 ～ 8 週間かかることを認識していました。
修理を待つ間も生産ラインを稼働させ続けるため、チームは 3D プリントを使用してインペラの一時的な交換部品を生産することを選択しました。
チームは SolidWorks で交換用プロペラの 2 つのバージョンを設計し、ナイロン 12 パウダー材料を使用した Fuse 1 SLS 3D プリンターでそれらを印刷しました。これにはたった 1 晩しかかかりませんでした。
SLS 3D 印刷プロセスは自立型であるため、中央に穴のある両面デザインを作成できます。
さらに、サポート構造を取り外したり、追加の印刷後プロセスを実行したりする時間を費やす必要がないため、完成したプロペラを既存の機械にすぐに取り付けることができます。
SolidWorks で作成された、臨時交換部品（応急交換部品）として使用するインペラ部品の 3D ファイル。
プロダクティブ・プラスチックスのセールス＆マーケティング担当ディレクターのカイル・デイビッドソン氏は次のように述べています。
「他の印刷方法を使用すると、射出成形で製造された部品と同じ構造特性を持つプロペラの裏側、特にリブとセンターボアを作成することが難しくなります。」
Fuse 1 を選択した理由の 1 つは、印刷にサポートが必要ないことです。
この作品は、Fuse 1 が複雑な幾何学的形状のオブジェクトを印刷できる能力を示す非常に明確な例です。」
工業用熱成形機の真空ポンプにぴったりフィットする 3D プリントされたインペラのクローズアップ (右) と拡大図 (左)。
3Dプリントされたプロペラはすぐに使用可能となり、機械が故障した翌日には生産セルを復旧させることができました。約6週間後、チームがサプライヤーからの部品に切り替えるまで、部品は正常に機能し続けました。
Productive Plastics では、生産セルのサイクル時間は約 5 ～ 15 分です。つまり、1 つの生産セルで 1 日あたり少なくとも 40 個の製品を生産できます。
機械が 6 週間停止した場合、1 台あたりの平均コストが約 25 ドルであることから、1,200 台以上の生産が失われ、損害額は 30,000 ドルを超えることになります。
| 社内3Dプリント部品 | 外注修理部品 | |
|---|---|---|
| リードタイム | 1日 | 6～8週間 |
| 機械のダウンタイムによる損失。 | 1,000ドル | 3万ドル |
AMRC 複合材料センターの研究者は、ピックアンドプレースロボットを使用して、炭素繊維層を高精度かつ高速に移動するプロセスを自動化する方法を研究しています。
しかし、しばらく使用すると、ロボットの圧縮空気グリッパーを保持するために使用されるL ブラケットのジョイント部分が曲がり始め、損傷してシステム障害が発生しました。
3D プリント技術を使用することで、研究者は従来の製造ツールでは簡単に製造できない複雑な形状のカスタムのバネ性コンポーネントなど、新しいソリューションを迅速に開発できます。
このプロジェクトに携わる複合材技術者のマシュー・ウィリアムズ氏は次のように語った。
「私はすでに6個のグリッパーのセットの5つのバージョンを改良し、テストしました。これを従来の機械で製造するには10～15週間かかり、これには実際のテストの時間さえ含まれていません。」
エンジニアリング サービス企業の STS Technical Group は、SLA (Stereolithography) 3D 印刷技術を利用してロボット グリッパーを開発し、標準的なグリッパーを優れた性能を持つ 3D 印刷グリッパーに置き換えました。
チームは、製造工場環境内で燃料インジェクターを移動および配置するためのカスタムグリッパーを開発しました。
ミル加工されたスチールグリッパーから 3D プリントされたポリマーグリッパーに切り替えると、柔らかい表面を傷つけたり損傷したりするリスクを軽減できます。
さらに、一般的な V 字型から、燃料インジェクターの形状に合わせて特別に設計されたフォームフィット形状に切り替えることで、グリップのための接触面積が増加し、より正確で信頼性の高い動作が実現します。
また、作業プロセスに必要なプレッシャーを軽減するのにも役立ちます。
最初に空気圧シリンダーに取り付けられた標準グリッパー (上)。
燃料インジェクターを保持するための、Rigid 4000 樹脂製の 3D プリント グリッパーを備えた空気圧シリンダー アセンブリ。
A&M Tool and Design は、固定具やさまざまな最終用途部品などの機能部品の製造に 3D プリント技術の使用を拡大しました。
一例として、大型レンズ研磨機用のスパイダーカップリングが、大規模な見本市開催のわずか2日前に間違ったサイズで出荷されたというケースがありました。機械エンジニアのライアン・リトルは、すぐに正しい寸法の交換部品を設計し、SLA 3Dプリンターで印刷しました。
プリントされたカップリングは、研削盤の2馬力モーターの駆動に実用化されました。
レンズ研磨機用の特注スパイダーカップリングのサイズが間違って届いたとき、A&M Tool and Design は 3D プリントを使用して耐久性のある樹脂から交換部品を迅速に製造し、主要な見本市の前に当面の問題を解決しました。
一般的には合法ですが、個々の具体的なケースによって異なります。
リバースエンジニアリングは一般的に合法とみなされており、メーカーは企業秘密法に違反することなく、社内設計から交換部品を製造するために 3D プリントを選択できます。
ただし、製造業者が商業目的で交換部品を印刷する場合、適用法に基づいて責任を負う可能性があり、契約条件に従って安全性と品質の要件に準拠した設計または製品を提供する義務が生じる可能性があります。
英国政府は、スペアパーツの 3D プリントに関する法的要件と責任について広範な調査を実施し、このプロセスの合法性に関する貴重な知見を提供しています。
この調査では、スペアパーツと交換部品の両方の生産、およびいくつかの国における製造プロセスの各段階における次のような法的要件を考慮しました。
アメリカ合衆国
イギリス
欧州連合
カナダ
日本
そして中国。
交換部品やスペアパーツの製造に 3D プリントを始めましょう。
3D プリント技術を使用して交換部品やスペアパーツを社内で生産することは、コスト効率が高く、迅速かつ効率的に機械のダウンタイムを削減し、生産効率の損失を最小限に抑える方法です。
Formlabs は、交換部品やコンポーネントの製造向けに、工業グレードの材料を使用した最先端の SLA および SLS 3D プリンターを提供しています。
当社の 3D プリンターについて詳しく知りたい場合は、当社の専門家に問い合わせて、このテクノロジーを組織に実装するための最適なワークフローの作成についてご相談ください。
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