金属3Dプリンターでの造形費用を抑える方法

2021年7月30日

見積価格の構成要素

以前のコラムで金属3Dプリンターで試作等の造形を行う際の見積価格の内訳についてご説明しました。

当社の場合、造形の見積価格は大きく分けて以下の4項目で構成されます。

  • 造形データ作成費
  • 造形費
  • 材料費
  • 検査費

※その他、熱処理や、追加工等についても別途費用をお願いすることがあります。

これら、それぞれの項目について、試作段階での造形で費用を抑える方法と、実用化・量産化の段階での削減方法があります。

もちろん前者の場合は検討項目が限られますが、後者においては、想定以上の削減効果を追求できる場合があります。今回はその手法についてご紹介します。

そもそも金属3Dプリンターに向いていない場合もある

あくまで費用を抑えるという観点では、そもそも金属3Dプリンターで作ることにあまり向いていない形状というのがあります。既存工法で製造している部品を単に金属3Dプリントに置き換えるだけでは価格メリットは出ないケースが殆どです。(他の工法では加工が難しい複雑形状の場合はコスト的にメリットが出る場合もあります。)

特に粉末を敷き詰めるパウダーベッド方式の場合、1層毎に粉末を敷き、溶融・凝固を繰り返すため、高さ方向(Z方向)のサイズが、造形時間(マシンタイム)に大きく影響します。

パウダーベッド方式の金属3Dプリンターの仕組みについてはこちらをご覧ください。

また、比較的大きなソリッド(固形)形状の場合、1層毎のレーザーの照射に時間がかかる上、材料によっては残留応力による変形の原因にもなります。

この場合、電子ビーム方式で1層当たりの溶融時間を短縮することは検討できます。

逆に中空でも、大きくて内部に複雑形状が無い形状(ケーシングのようなもの)の場合、前述の理由から、金属体積のわりに造形時間がかかってしまいます。

試作段階で費用を抑える方法

次に、金属3Dプリンターで作る必要性は確認でき、試作段階で金属3Dプリンターを活用することを決めた場合に、費用を抑える方法としては、「個数」と「納期とタイミング」が重要になります。

造形する個数

ご存じの通り、3Dプリンターは金型レスで3Dデータから直接製品を造形する技術ですので、そのメリットを最大化するためにも、いくつも同時に作ってみることを検討することで、1個あたりの造形費を抑えることができます。

その際、作る形状はもちろん同じでなくても大丈夫ですし、例えば、評価・破壊などの試験用に同じものを複数同時に造形することもできます。

解析・シミュレーション技術の進展により、実際の試作が減る傾向にはあると思いますが、シミュレーション結果の補正という観点からも、どうせ造形するならプリンターの造形領域に入る範囲で作ってみることをご検討されては如何でしょうか。

納期とタイミング

まだ試作用途での利用が多い金属3Dプリンターは、短納期試作にメリットを感じて活用を検討されるケースが多いのが現状です。しかしながら、1ジョブあたりの造形時間の関係や、粉末交換の作業時間の関係で、どうしても装置が開いてしまうタイミングが出てしまいます。そこで、ある程度の納期の余裕がある造形依頼に対しては、稼働率を上げることができるため、マシンチャージを抑えて見積りできるケースがあります。

更に、少しビジネス面の話になりますが、上記の通り、試作用途での利用は、期末にかけて繁忙期となる傾向があり、新しい予算年度が始まってすぐは比較的閑散期ということになりますので、たとえば下期よりも上期、上期の中でも4~6月が価格交渉のねらい目です。

実用・量産に向けてコストを如何に抑えるか

さて、ここからがモノづくりの本格的なコスト対策ですが、金属3Dプリンターでの実用・量産に向けて取り組む場合、冒頭の「データ作成費」「造形費」「材料費」「検査費」のそれぞれの項目で費用を抑えるための方策を取ることができます。

データ調整の簡略化

基本的には、実用・量産部品の形状が確定する場合、品質管理の観点からも、粉末条件・造形条件・後工程での作業条件をすべてロックしますので、3Dデータも基本的には変更しませんが、デザインの微修正や、造形個数の調整が必要なケースでは、一部データの調整が必要にはなりますが、試作での作業工数からは十分減らすことができます。

マシンチャージの低減

単発もしくは不定期の委託・受注と異なり、事前の発注計画などに基づいて、生産計画を立てて装置稼働率を設定できるため、マシンチャージの前提が大きく変わります。発注の頻度やリードタイムにもよりますが、マシンチャージを3割程度も下げられるケースもあります。

サポート設計の最適化

サポート設計の作りこみは実用・量産製品の条件を決める上で非常に重要な要素になります。サポート設計を工夫することにより、「材料の削減」「造形時間の削減」「仕上げ工数の削減」といった効果を追求することができます。

1回限りの試作の場合、造形失敗の最大の原因となる熱応力変形を回避するために、安全なサポート(十分に頑丈なサポート)で行う必要がありますが、実用・量産製品を開発検討する中で、このサポートを必要最低限に抑えることで「材料費の削減」「造形費の削減」「後加工費の削減」が実現します。

造形条件の最適化

造形条件(造形パラメータや造形レシピといいます)の最適化は、QCDのすべての面で最も重要な要素になります。コスト面に関しては、「造形スピード」を追求することで造形時間を短縮して「造形費の削減」を実現できます。

また、造形条件の工夫によって表面状態や寸法精度を改善することで、後工程での切削・研磨コスト(切削・研磨時間)の削減につなげることもできます。

材料の削減余地

前述の通り、主にサポート形状を工夫することで、使用粉末を最小化することができます。また製品とサポート以外にも、内部構造内に残ってしまう粉末というのがあります。これは見落とされがちですが、残留粉末は後加工の段階で再利用できるように回収できない場合があります。実用・量産の段階では、こういった細かいコスト対策も重要になるのではないでしょうか。

仕上げ・後加工の工数削減

前述のように、サポートや造形条件の工夫によって、仕上げ・後加工の工数を減らすことに加え、実用・量産製品では、専用治具や作業の手順化によっても、工数の大幅な削減を追求することができます。

検査工程の工数削減

試作と異なり、実用・量産製品では、もちろん品質保証・品質管理とのオフセットもあり、検査工程での工数削減は仕様と品質要求次第ではありますが、少なくとも、前項の仕上げ・後加工同様に、検査治具や手順化によって、工数削減の取り組みを追求することはできます。

まとめ

  • 金属3Dプリンターで作ることに向いていない形状では、既存工法より割高になる。
  • 単発/不定期の試作の場合も、納期に余裕をもてば、マシンチャージを抑えることができる場合がある。
  • 金属3Dプリンターでは、実用・量産に向けて開発を進めていく中で費用を低減できる余地が大きいため、試作時の価格見積であきらめず、量産時の価格低減を追求することが重要。

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