「技術を上げて、コストを下げる」 - 3DプリントとP2Mを使い、すべり軸受の単価削減と長寿命化を実現

• 要望：特殊な形状のすべり軸受
• 製造方法：レーザ焼結法（SLS）、print2mold（P2M）
• 要件：相手材のアルミニウムとの良好な摺動特性、高速運転での高い耐摩耗性、複雑な形状
• 材質：イグリデュール i3（レーザー焼結）、イグリデュールJ2 （P2M）
• 産業：廃棄物分別処理場
• メリット：高荷重でも長寿命、単価を大幅に削減、高い設計自由度

用途の概要：
フィンランドのZenRobotics社は、AIが制御する産業用廃棄物分別処理場を製造しており、自動で高品質、高速かつ安全な廃棄物分離を世界中に提供しています。環境にもよりますが、処理場の状況は非常に過酷です。廃棄物の中に埃があったり、面白い驚きがあったりするのが日常茶飯事です。そのような状況下でも、処理場は迅速かつ確実に廃棄物を分別しなければなりません。新しい「FastPicker」処理場では、アキシアル加速時に発生する高い捻回力に耐えられるすべり軸受が求められました。開発者たちは、3Dプリントされたすべり軸受を、回転を防ぐために溝のあるプロファイルを持つアルミニウムの軸に配置することを考えました。すべり軸受は、直線速度3m/s、ラジアル及びアキシアル方向の加速度に耐えることができます。3Dプリントは設計自由度が高いため、すべり軸受の形状を溝付きアルミニウム軸に適合させることができました。次のステップでは、射出成形素材の多様性を生かし、いわゆるラピッドツーリングを用いて射出成形金型を積層造形で製造しました。

使用されているFastPicker。廃棄物の分別は、AI認識で自動的に行われます。

問題点

フィンランドのZenRobotics社が開発した新しい廃棄物分別システム「FastPicker」の試験段階で、質量の中心が移動軸の中心に位置していない場合は、従来のすべり軸受では軸方向の加速時の捻回力に耐えられないことがすぐに明らかになりました。当初はストッパー部品で回転を停止することになっていました。　　しかし、高負荷のためにすぐに故障してしまいました。ストッパー部品に加えて、ラジアルとアキシャルの加速度に耐えるために、まずイグスの製品から標準的なすべり軸受が使用されました。

解決方法

最終的には、特殊な形状のイグスのすべり軸受が採用されました。これらはまず、溝のあるアルミニウム軸にはめ込んで回転を止めるために、高機能樹脂であるイグリデュールI3をレーザー焼結法で作りました。その後、同社は射出成形素材の多様性を利用するために、ラピッドツーリングに切り替えました。ラピッドツーリング（P2M）では、最大80％のコスト削減も可能です。射出成形用の金型は数日で製作することができ、すぐに使用できる状態になります。さらに、3Dプリントは設計の自由度が高いため、特殊な形状のすべり軸受には最適でした。

プロトタイプや少量生産について

3DプリントとP2Mには、少量生産から利益が出るという共通点があります。機械製の射出成形機で部品を製造する場合、10,000個以上の部品を製造する場合にのみ費用対効果が得られます。3Dプリンターは、特に製造速度が速く、すぐに使用できるため、アプリケーションの試験段階で説得力があります。部品にもよりますが、短納期で出荷可能で、オンラインの3Dプリントサービスで簡単に注文することができます。ZenRobotics社の場合、最初のプロトタイプでは、溝付きプロファイルを持つアルミニウム軸に3Dプリントのすべり軸受を使用しました。その後、同社が選択したのは、3Dプリンターで射出成形用の金型を製作するP2M法でした。決め手となったのは、素材の豊富さと、射出成形による単価の安さです。最終的なすべり軸受には、イグリデュールJ2を使用しました。 このケースでは、P2Mコンポーネントのコストは、レーザー焼結コンポーネント（約49ユーロ／個）の10分の1である約5ユーロ／個で済み、100個以降は金型の費用も採算が取れました。この頑丈な樹脂は優れた機械的特性を持ち、費用対効果が高く、優れた耐媒体性を持っています。また、固体潤滑剤が含まれているため、すべり軸受への外部潤滑が不要になります。

溝のあるアルミニウム軸は、すべり軸受の形状によって回転が妨げられています。

ラピッドツーリング - イグスのP2M法

スピードを重視するなら、射出成形金型の製造には3Dプリントが最適です。形状にもよりますが、プリントにかかる時間は約12～24時間で、プリント後すぐに使用することができます。ラピッドツーリングと呼ばれるP2Mは、高度なプロトタイプや少量生産をコスト効率よく実現します。10,000個までの数量（最小数量無し）であれば、機械生産の射出成形金型よりも、収益性が高くなります。耐摩耗性のある部品を最大80％のコスト削減で製造することができます。P2M射出成形部品の品質は、従来の射出成形加工と同等です。P2Mにより、開発プロセスが大幅に短縮され、通常の射出成形の素材の多様性も維持されます。

金型設計から完成した射出成形金型までの流れを、P2M法の手順でご紹介します。