試作品から最終製品まで－すぐに取付可能な3Dプリントボールベアリング

• 要望：3Dプリント製車両のステアリングシステム用ベアリング
• 製造方法：FDM方式
• 要件：遊びが少ない、高強度、優れた耐摩耗性
• 材質：イグリデュールI150
• 産業：自動車
• メリット：良好な表面品質、金型不要の3Dプリントによる迅速な生産、開発時間の増加、ベアリングのクリアランスがほとんどない

用途の概要：
イギリスの3Dプリント技術を専門としたScaled社は、「カメレオン」プロジェクトにおいて、3Dプリントされた部品のみで構成される四輪車を開発しました。車両テストの際、ステアリングシステムの設計に否定的な意見がありました。ステアリングのベアリングのクリアランスが大きすぎて、摩耗が激しいためです。このアプリケーションを完全3Dプリント製にするために、同社は、軸受部により適した頑丈で耐摩耗性のある材質を探すことにしました。開発チームは、イグリデュールI150トライボフィラメントを使用して大小さまざまなフォーマットのテストを行い、最終的にクリアランスが非常に小さく、従来の樹脂製ベアリングに比べて耐摩耗性が格段に高い、5ピース構成のベアリングを設計しました。これにより、ベアリングは今後もすべて3Dプリントで製作できることが確実となりました。

イギリスの3Dプリント技術を専門としたScaled社による「カメレオン」プロジェクトは、フル3Dプリントで車両を開発することを目指したものです。

問題点

車両のステアリングシステムはクリアランスが大きすぎて、すぐに精度が悪くなっていました。　また、すぐに摩耗してしまうというリスクもありました。そのため、クリアランスが極めて小さく、車両の他部分の既存の形状に合わせたステアリングベアリングの製作が必要になりました。ベアリングの深さは20mmを超えないようにしました。また、2つのベアリングのうち下側のベアリングは、両端に2組のラジアルボルトを持つステアリングコラムに取り付けるために、内輪を分割しなければなりませんでした。さらに、部品は従来から搭載されていた標準的なPLA製のベアリングよりも大幅に強度を高める必要がありました。

解決方法

Scaled社は、「カメレオン」プロジェクトに最適な材質は、トライボロジーを最適化したイグリデュールI150-PFトライボフィラメントであることが分かりました。このフィラメントは大容量プリンターでの加工が非常に簡単で、強度、靭性、摺動用途における層接着性など、優れた機械特性を備えています。ベアリングを5ピースのボールベアリングに改造し、最初は試作品として試験しました。試験では、回転中に偏心荷重を受けるとベアリング内のクリアランスが非常に小さくなりました。最終的な部品も同じ工程で製造されるため、開発段階での試験はすでに非常に有意義なものでした。

「カメレオン」プロジェクト－お客様に合わせた、サステナブルなアプリケーション

イギリス発の「カメレオン」プロジェクトの主たる目標は、フル3Dプリントで作成された車両を開発することでした。プロジェクトの背景は、大量生産から顧客ごとにカスタマイズされた迅速な生産に切り替えるという発想によるものでした。同時に、金型を使わない積層造形により、リサイクル材を使用できるようにすることでもありました。Scaled社によると、将来的には3Dプリント製の車両や構造物には100％リサイクル材を使用することが可能になるとのことです。これまでカメレオンチームは、2020年の最初の試作品で30％のリサイクル材を使用することに成功しました。プロジェクトにおいて、3Dプリントされた部品はスピード面でも大きな利点があります。大型部品（1.375kg）の場合、プリント時間は最大83分で、部品の描画からプリント、テストまでをその日のうちに行うことができました。フライス加工や射出成形などの工程に比べてスピードがはるかに速いという利点は、車両開発の自由度に非常に良い影響を与えており、それは部品形状の設計自由度でも裏付けられています。

ステアリングシステムのベアリングも大型プリンターで作成

最適なベアリングまでの道のり

イグリデュールI150トライボフィラメントのトライボロジー特性の概要を把握するため、同社はまず小型の部品で試験しました。まず、入れ子式のシリンダーを印刷したところ、未処理の表面は他の材質に比べてすでに非常に良い品質でした。次に大型の部品を印刷したところ、表面品質の良さが際立っていました。その後、交換するボールベアリングをイグリデュールI150を使用して再印刷しました。I150のレースとボールベアリングのケージは、低摩擦で動作する優れたスライド相手材であることが証明されました。最終的に、5ピースのボールベアリングが完成しました。

ボールベアリングの試作品：左が従来の樹脂製、右がイグリデュール I150製

汎用的なトライボフィラメント ― イグリデュール I150

イグリデュールI150ボールベアリングの試験では、回転中に偏心荷重を受けるとクリアランスが非常に小さくなりました。その後、カメレオンのステアリングシステムに適合するように、ダブルベアリングシステムが開発されました。Scaled社によると、イグリデュールI150ベアリングのプリント品質はASAと同等であり、従来のPLAよりもはるかに優れているとのことです。レイヤ－の高さが1mmにもかかわらず、表面仕上げは非常に良好でした。同社は部品の品質の良さに加えて、パーツの組み立てが簡単なことにも喜んでいます。トライボフィラメントは、小型のアプリケーションだけでなく、大型プリンターを使用するプロジェクトにも適しています。機械的特性が良好であるため、幅広い用途や3Dプリンターに適しています。また、イグリデュールI150は、EU 10/2011準拠で食品規格にも対応しており、食品および包装産業での用途にも適しています。

イグリデュールI150トライボフィラメントは、すべての3Dプリンターで使用可能です。