デスクトップデジタルマニュファクチャリングがアブレシブウォータージェット切断に与える影響

図 1. デスクトップのデジタル製造環境は、CNC 加工、3D プリンティング、レーザー切断、ウォータージェット切断という 4 つの主要テクノロジーで構成されています。

今日のカスタム板金製造業者は、「ワンオフ」に慣れ親しんでいます。顧客は、非常に少量の注文で 1 つまたは数個の部品を必要とする場合や、場合によっては 1 個だけの部品を必要とする場合があります。その注文はプロトタイプのためである可能性があり、プロトタイピングに関しては時間が非常に重要です。

プロトタイピングには迅速な反復が必要です。デザイナーは、試行、失敗、改善という重要な問題解決プロセスに限りある時間を費やします。これまでは、これは社内のプロのモデラーと機械工の専任チームを活用し、それに応じて大規模で専門化された複雑な機器を補完する必要があり、通常は実際のエンジニアリングや設計の目的から外されていた熟練したオペレーターを必要としていました。カスタムファブショップでは、これらのオペレーターはおそらく別の試作エリアで働いていました。

あるいは、製造業者が急遽試作品の注文を生産現場に送ることもあります。板金製造機械は以前よりも柔軟になっています。それでも、試作品や少量の注文を詰め込むと、依然として生産の流れが中断されます。

一部の作戦は現在、第 3 の選択肢を模索している。彼らは工作機械をエンジニアリング部門自体に導入しています。プラスチックと金属の両方で 3D プリンターを実験している人もいますが、そのため試作エンジニアが機械工場を利用することができません。また、エンジニアが自分でプロファイルを切断できる、新しいプロファイル切断テクノロジーを利用している企業もいます。要求を試作工場や生産現場に引き渡す必要はありません。

デスクトップ研磨ウォータージェット切断は、デスクトップデジタルマニュファクチャリングとして知られるようになった技術の数が増加しているプロセスの 1 つです。このコンセプトは、製品デザイナーに新たな可能性をもたらしました。初期の設計コンセプトから最終製品に至るまでに費やす時間は、もはや以前のようなハードルではありません。これは製造業の民主化の直接の結果です。今日、製造は生産現場、試作セル、またはエンジニアのワークステーションからほんの数歩離れた工場のエリアで行われています。

デスクトップデジタルマニュファクチャリングの実践は、10 年以上前にデスクトップ 3D プリンターから始まりました。これらは、さまざまなプラスチック材料で複雑な部品を作成するのに最適です。その後、デスクトップレーザーカッターが登場し、木やプラスチックなどの柔らかく薄い素材で正確な 2D パーツを作成できます。これは 3D プリンターでは達成できませんでした。金属で複雑な 3D パーツを作成できる、手頃な価格の CNC ミルも人気になりました。

これらのテクノロジーにより、エンジニアは社内で部品のプロトタイプを柔軟に作成できるようになりました。しかし、製造プロセスの 1 つがとらえどころのないままでした。プレートまたはハードシート材料で精密な部品を作成する機能を備えたデジタルツールは、ほとんどのエンジニアにとってまだ利用可能ではありませんでした。しかし、最近では小型のウォータージェットカッターが市場に投入され、エンジニアは板金、カーボンファイバー、ガラス、ゴムなどの精密部品を製造できるようになりました。

ウォータージェットは、超高圧水と研磨粒子をノズルに集中させ、スラリーをワークピースに噴射することで、さまざまな材料を切断します。すべての材料は侵食され、冷間切断プロセスであるため、ウォータージェットでは、3D プリンタ、低出力レーザー、または CNC マシンでは処理できなかった多くの材料で、優れた表面仕上げを備えた精密なプロトタイプ部品を製造できます (図 1 を参照)。。

たとえば、新しい産業機器の設計では、ベルトとプーリーの伝動装置を備えた大型の電気モーターが必要でした。このアプリケーションでは、プーリー間のギア比が、デバイスのパフォーマンスに影響を与える重要な設計変数でした。これに対処するために、設計チームは問題を認識し、設計の効率を高めるための改善をテストおよび測定するための簡単なソリューションを考案しました。

まず、エンジニアは一連の代替サイズの駆動プーリーの CAD 図面を作成しました。歯数が多いものと歯数が少ないものがあるため、さまざまな駆動比をテストして、最も効率が高いものを決定できます。さまざまなプーリーを機械工場に送り、それに伴う時間遅延や生産コストを追加する代わりに、プロジェクトエンジニアは社内の小型ウォータージェットカッターを使用してテストプーリーの部品を切断しました (図 2 を参照)。

図 2. 卓上ウォータージェットカッターでアルミニウムプーリーの機能的なプロトタイプを作成します。

CNC 加工のプーリーとギアは高価で時間がかかることで知られており、確実に製造するには高度なスキルを持ったオペレーターが必要です。ここでは、遅延はなく、部品の製造に必要な物理的材料以外の追加コストも発生しませんでした。研磨ウォータージェットを使用することで、最終用途の材料 (この場合はアルミニウム) でプーリーを作成することもできました。

エンジニアは最終的に、モーターとドライブトレインの望ましい寿命を維持しながら、仕様を満たす最適なプーリー設計を決定しました (図 3 を参照)。以前は、このような反復的なプロセスにリソースが費やされると、メーカーが費やすことができる以上にプロジェクトの財務上およびスケジュール上の考慮が必要となり、望ましくない設計の妥協につながりました。

事実上、すべてのメーカーがやり直しという課題に直面しています。設計変更が遅かったため、それは驚きであるか、予想通りである可能性があります。どのようなシナリオであっても、特に購入したコンポーネントの場合、メーカーの選択肢は限られています。再加工のために部品をサプライヤーに送り返すには、数週間、場合によっては数か月かかる場合があります。特に部品が大きく、長距離輸送される場合には、まったく実用的でない場合があります。

デスクトップデジタルマニュファクチャリングに入ると、話は変わります。デスクトップウォータージェットなどのツールを使用すると、エンジニアはこれらの課題に即座に対処できる柔軟性が得られます。たとえば、あるメーカーは、一連の大型アルミニウム押し出しフレームを再加工する必要がありました。具体的には、既存の在庫を更新されたアセンブリ設計で使用できるように、新しいフィーチャーを押し出し成形に機械加工する必要がありました。アルミニウムの押し出し材を曲げて形を整えた後、通常は、特大部品に対応できる大型の立型マシニングセンターを備えた機械工場で機械加工されます。この機械はメーカーが社内に持っていなかったはずです。

小型ウォータージェットの助けを借りて、エンジニアは手持ちルーターを使用して新しいフィーチャーの切断をガイドする一連の板金治具を作成しました (図 4 を参照)。ジグの設計を数回繰り返した後、エンジニアは本質的に、必要な正確な操作に特化しながらも、手持ち式電動工具を大型 CNC フライス盤に変換しました。時間の節約により、最終的には会社のお金が節約されました。ここでも、エンジニアは再作業に何週間も待つ代わりに、設計を十分に精査し、すぐに本格的な生産に進むことができました。

プロトタイピングを迅速に繰り返すことで、通常はやや保守的なエンジニアがそれほど保守的になることがなくなります。以前は、大規模な開発が必要な可能性のある設計は棚上げされ、開発にあまり実験を必要としない野心的ではない設計が採用されたり、最悪の場合、不適切ではあるがすぐに入手できる既製の部品に置き換えられたりしていました。現在、新しいプロトタイピングモデルでは、マイクロ反復に重点が置かれています。これらは、設計の限界を押し広げ、最大限の効率と使いやすさを生み出し、保守的な考え方の必要性を排除するのに役立ちます。

たとえば、設計チームは、銅バスバーインサートを備えた射出成形コネクタを作成するという任務を負っていました。通常、これはオーバーモールド部品として作成され、毎日何万もの作業が行われます。ただし、コネクタの最終形状はまだ開発中です。この段階で射出成形金型を加工するには、非常にコストと時間がかかり、適切な既製の代替手段はありませんでした。

この一見取引を打ち破るような障害は、3D プリントとデスクトップウォータージェット切断の両方を使用してクリアされました。 3D プリント部品が ABS プラスチックなどの材料をエミュレートできるため、絶えず変化する設計段階でプロトタイプ部品を迅速に進化させることができました。テストの反復コストも、従来の CNC 加工に比べて大幅に低コストでした。

最終製品でオーバーモールドされる銅バスバーも、設計の更新に合わせて変更する必要がありました。ここでも、エンジニアは社内の小型ウォータージェットカッターを使用して、最新の設計反復に合わせて銅材料を変更しました。 3D プリンティングと小型ウォータージェットの組み合わせにより、関係のないサプライヤー間を何週間も行き来することなく、このプロジェクトをゴールラインに到達させることができました。

デスクトップのデジタルマニュファクチャリングにより、エンジニアが新製品を作成する方法が変わりました。これにより、旧世界の専用の試作工場が、設計の反復が迅速に実装され、リスクが最小限に抑えられ、新しい設計を市場に投入するのにかかる時間が大幅に短縮される環境に置き換えられます。試作工場の最速見積もりでは 2 ～ 4 週間の納期がかかりますが、CNC テクノロジーを駆使した豊富な在庫の作業を連携して指揮する、熱心なエンジニアの代わりはいません。

デジタルデスクトップ製造システムは、カスタムファブショップにオプションを提供できます。デザイナーがプロトタイプを作成するとき、より短い時間でより多くの反復を行うことができれば、より良い結果が得られます。この世界では、迅速な対応が重要な差別化要因となります。