3Dプリントカー実現への道のり：3Dプリントが自動車業界に起こす12の変化

組立ラインから出荷される新車の3台に1台は、Broseが製造した部品を搭載していると言っても過言ではありません。家族経営の自動車サプライヤーとして世界5大企業の一つに入るBroseでは、毎年、3Dプリントで製作する部品の数画像化しています。

BMW X7のシート組み立てでは、生産スケジュールに影響を与えるサプライチェーンの問題を回避するために、クリエイティブな発想が求められていました。Broseのシートプロトタイピングマネージャー、Matthias Schulz氏は、シートフレームのベースに使用するクリップの1つに、SLS方式の生産能力の高さと材料の優れた耐久性を活かすことにしました。

Broseのチームは、2台のFuse 1+ 30W SLS 3DプリンタでNylon 12 GFパウダーを使い、わずか数週間で25万個のシートクリップを製作しました。BroseのチームはOEMであるBMWと協力し、3Dプリント製クリップをシートアセンブリの長期使用に耐えうる部品として認定しました。SLS 3Dプリントの活用により、全体の生産スケジュールも予定通りに進みました。この暫定的な製造ができていなければ、新しい射出成形用原型を設計・加工製作し、海外から仕入れなければならず、X7モデルのリリースが数ヶ月遅れていたかもしれません。

MOSOLF Special Vehicles GmbHのプロジェクト企画部長であるCarsten Busam氏は、ドイツの警察車両の3分の1以上は、アディティブマニュファクチャリングで製作された部品が搭載されているといいます。パトカーや救急車などの「特殊車両」を年間1,000台製造するMOSOLFは、複数台のFuse 1+ 30W SLS 3Dプリンタを導入したことで、車両の性能を向上させる実用的な自動車部品やアクセサリーの3Dプリント製造が可能になりました。

救急隊員にとっては、輸送手段と装備の品質が何より大切です。MOSOLFはNylon 12パウダーを使って車のブラケット、マウント、治具、ホルダーなどを3Dプリントしています。頑丈なSLSパウダーは耐久性に優れ、救急隊員による使用で発生する摩擦や破れにも耐える実製品用部品の製造が可能です。SLS 3Dプリントは、材料の耐久性だけでなく、スピード面でも大きな違いをもたらしました。

IBL Hydronicは、産業車両向けの電子機器、油圧装置、ソフトウェアアセンブリの機械ソリューションを製造するドイツのメーカーです。SLS 3Dプリントを活用することで、実製品用部品の設計と製造を迅速かつ効率的に、そして低コストで実現しています。

IBL Hydronicが最近手がけたプロジェクトに、ある農業機械メーカー向けの、特定機械に合わせた制御盤の開発があります。このプロジェクトでは、プロトタイピング、組み立て、テストをわずか1ヶ月で完了し、顧客に包括的なソリューションを提供しました。

車両部品のハウジングはFuse 1 SLS 3Dプリンタで造形し、組み立てて革製のアームレストパッドを取り付けました。機能性だけでなく視覚的にも魅力的なデザインにするため、チームは設計プロセスで3Dモデルの表面にテクスチャを加えました。その後、SLS 3Dプリント品の表面を整え、染色槽で着色。その結果、SLS 3Dプリントのみで製造した車両部品のアセンブリは、革のような表面テクスチャが特徴となり、外観が洗練されてデザイン全体がまとまった印象になりました。

イタリアのレース選手権「12 Pollici Italian Cup」で優勝したElia Marescutti選手は、Formシリーズ SLA光造形プリンタでRigid 10Kレジンを用いて造形したインテークマニホールドを搭載してレースに臨みました。

3Dプリント製のマニホールドは、高いパフォーマンスが求められるレースの負荷に耐えただけでなく、従来のアルミニウム製マニホールドよりも優れた性能を発揮しました。サーマルイメージングカメラを使った測定では、Rigid 10Kレジンで製作したマニホールドは従来のアルミ製よりも40～50°C低い温度を記録し、冷却速度もはるかに速くなりました。これにより、レース終了後の組み立て作業が容易になりました。

ビジネスで成功する企業の多くがそうであるように、BTI Gaugesも市場のギャップに目をつけました。創業者でありオーナーでもあるBrandon Talkmitt氏は、高性能車用の距離測定ディスプレイをカスタマイズする方法を探していました。

Talkmitt氏は、フロントガラスに複数のスクリーンが溢れて確認が煩雑になる状態を解消できるような、複数のパフォーマンスメトリックを組み込めるメーターを探していましたが、残念ながら既製品で適したものは見つかりませんでした。そこからFDM（熱溶解積層）方式3Dプリンタでメーターのケーシングを試作し、高温の車内と試験用オーブンの中に試作品を放置して耐熱性試験を自身で実施しました。そこで得られた結果を元に、様々な車種を考慮した設計調整を行いました。実際に使用する製品の製造方法を検討した結果、Talkmittは耐久性と耐熱性に優れたSLS 3Dプリントを採用しました。

カスタマイズ設計をわずか数日で完成でき、メーターが完成するとすぐに、普段から付き合いのあった90年代スタイルの日本製レーシングカーや、Lamborghinis、Dodge Vipers、その他の高性能車のオーナーから関心が寄せられました。Talkmitt氏は、ビルドチャンバーを効率的にパッキングする方法を習得したことで、無駄をほぼゼロに抑えたワークフローを実現し、全体的なコスト削減に成功しました。

Fuse 1のような高品質のSLSプリンタを社内に導入することで、BTI Gaugesは自社の生産力をコントロール・維持し、従来通り製造手法や外注に依存する多くの同業他社と一線を画すことができました。 「全員に勧めたいくらいです。Fuse 1は本当に大きな力になってくれました」とTalkmitt氏は言います。

BroseのAdditive TechnologyチームがSLA光造形およびSLSプリンタを複数台運用するBrose North Americaでは、溶接ロボットは様々な製品ラインを常に行き来する必要があります。工場では、溶接機は1つの製品ラインに特化してプログラムされていますが、本社には2台の溶接ロボットが様々な製品ラインでシートのプロトタイプの溶接を担当します。

ロボットが新しい製品ラインに移るたびに、溶接部門はロボットのパラメータを再プログラムする必要があります。溶接ロボットのプログラミングにプロトタイプの金属レールを使用すると高額になるうえ、溶接ステーションで学習用の準備が整うまでにレールが間に合わないことがよくあります。スピードと寸法精度の両方が求められるこれらのセットアップ部品には、高速で低コストな代案として3Dプリントが活用できます。

Dorman Products は、乗用車と大型トラックのアフターマーケット部品メーカーとして 100 年の歴史を誇るメーカーですが、3Dプリントを活用して生産期間の短縮と部品の品質向上を実現しています。常に新しい製造工程やモデルを追加するOEM元のメーカーに遅れずに対応するため、12台の3Dプリンタを2拠点で分散稼働させています。

すべての部品がそれぞれ異なる機能を持っているため、試験条件や方法、検証プロセスも部品によって異なります。例えば2種の異なる部品を検証するのに流体試験が必要な場合、部品の形状が違っていれば、試験中に部品を固定する治具もそれぞれ別のものが必要になります。そこで3Dプリントを活用することで、各部品に合わせたカスタムテスト治具を設計し、同日中に製作することができます。治具やゲージの製作には、加工工場からの納品までに5～10週間かかることもありました。

Additive TechnologyチームはNew Bostonチームと協力し、磁気で接続できるタイプのコネクタラインを設計しました。ラインやシートフレームに簡単に取り付けられるだけでなく、技術者がコードを取り外さずにシートフレームを引き離してしまった場合も、損傷することなく外れます。3Dプリント製の自動車製造用治具は、機械の摩耗やオペレーターのミスを低減できるため、部品の交換費用を節約しながらダウンタイムを短縮することができます。

Pankl Racing Systemsは、レーシングカーや高性能車、航空宇宙用途向けのエンジンおよびドライブトレイン部品の開発・製造を専門とする企業で、F1カーやマリーンワン（米国大統領専用ヘリ）にも同社の部品が使用されています。

Panklは実製品用部品の設計にとどまらず、部品の製造に必要な治具や固定具、成形型も一連のカスタム品として開発しています。これらの部品は少量生産で用途も限定的なため、3Dプリントが最もコスト効率良く効率的に製造できる方法であることが実証されています。現に、SLA光造形プリンタとその材料を導入したことで、Panklの開発コスト全体が大幅に削減されました。

車両のギアボックスアセンブリの場合、鋼部品を機械加工してからさらに加熱および冷却プロセスを行う必要があり、それぞれにカスタム治具が必要でした。こうした治具を外注すると納期が6週間も延びてしまうため、Pankl RacingはForm SLA光造形プリンタでTough 1500レジンの初期バージョンを使って3Dプリントすることにしました。

Ford Motor Companyは世界第6位の大手自動車メーカーで、年間400万台以上の自動車を生産し、世界中で17万5,000人以上の従業員を有する企業です。Fordの欧州事業の中心となっているのは、1930年に設立し、Ford Fiestaの組立で有名なFord Cologneです。

新たな電気自動車の開発競争においては、試作・検証を重ねる改良の反復スピードが何よりも重要です。Fordの設計チームは、毎日自動車部品を設計して3Dプリントし、実際に車内でフィット感や感触をテストすることができました。

英国で急成長中のFormlabs正規代理店、Solid Print 3DのクライアントであるVital Autoが、複数台のForm 3LやFuse 1をはじめとする多数の高度機器を活用して、試作・検証工程を高速に回すことで忠実な試作品やコンセプトカーを製作している方法をご紹介します。

NIO EP9のコンセプトカー製作でした。この案件をきっかけに、同社は極めてリアルで忠実なコンセプトカーの製作を手掛けるようになります。Volvo、Nissan、Lotus、McLaren、Geely、TATAなどの顧客は、これまでに見たことのない車のコンセプトを求めてVital Autoを訪れます。

まったく新しいものを設計、試作、製作するために、Vital Autoはさまざまな材料で最高品質の部品を製造できる3Dプリンタを活用しています。Form 4L、Form 4、Fuse 1+ 30Wを含む14台の3Dプリンタは、24時間365日稼働し、大規模な反復作業に対応しています。エアベントからドアシール、ブレーキキャリパー、ドアハンドルに至るまで、同社の3Dプリンタはワークフローに欠かせない存在となっています。

英国のアフターマーケット向け自動車用性能部品メーカー Forge Motorsportは、Formlabsの3Dプリンタを使ってトヨタGRヤリスのようなOEMモデルの実製品用部品の試作品製作と機能試験を行っています。

Forgeは、モデルのリリース時にインレットダクトのサイズを大きくし、かつエアボックスの開口部の場所を変えることで車の性能を向上させる機会を見出しました。これらの変更により、吸気温度の変動が抑えられ、ドライバーがエンジン性能を予測しやすくなるとともに、全体的な温度の低減も期待されます。トヨタの部品と周辺アセンブリをリバースエンジニアリングした後、Solidworksで空気の流れをシミュレーションし、新しいモデルを設計しました。まずはDraftレジンで車両のインレットダクトを3Dプリントし、フィット感を確認した後、実製品用部品にはTough 1500レジンを使用しました。

顧客は3Dプリント製の部品をYaris GRに5カ月間装着し、その間様々な条件下で性能データを収集しました。予想通り、再設計した部品は性能が向上しました。純正部品の温度変動が42～45°Cであったのに対し、3Dプリント製の部品は35～36°Cでした。リバースエンジニアリングや自動車部品の3Dプリントに関する詳細は、Forge Motorsportとのウェビナーをご覧ください。