Kastalon、3Dプリント製の成形型でポリウレタン製品の新たなカテゴリを創出

Form 3Lを導入する前は、テールプラーのクランプ成形型で作る部品の注文は断らざるを得ませんでした。何度も試行錯誤を重ねれば実現できたかもしれませんが、24個の長いピンを貫通させず、さらにピン同士の間隔は0.03125インチ以内に収める必要があったためです。

ピン同士の間隔が非常に狭いことと、穴を貫通させず、上面からのオフセットがそこで終わるという設計上、部品の加工が非常に難しく、繊細で長い刃が必要になります。他には、ピンをそれぞれ個別で製作し、後からすべて正しい方向に整列させて固定するという方法もありますが、ピンの直径が0.104インチしかないことを考えるとこれも大変な作業です。

様々な加工法を評価した結果、同社チームはこの注文を断るしかないという決断に至りました。「長い時間をかけて実現できる方法がないか協議しましたし、顧客にこの部品は作れませんと言うのは非常に勇気のいる決断です」とBaer氏は振り返ります。

その数週間後に到着したForm 3Lを使って、Baer氏はその成形型を僅か半日で設計・プリントし、このように複雑な形状でも3Dプリントなら実現できるというビジネスケースを実証しました。材料コストは$30を僅かに超えるのみで、設計も2時間程度で完成しました。「すぐに、全員が3Dプリントの可能性を見直しました。工場の作業員も考えが変わり、『こんなことができるようになるなら、もっと注文を受けられるようになる』と言っていました」

Form 3Lは、細かな工夫が必要な設計のために加工では実現が難しい成形型の製作に最適です。写真の小型のアンチクラッシュホイールは、スプリングアセンブリの代わりとして、柔らかい製品（ダンボールの梱包資材など）をベルトコンベア上で押さえる役割を果たします。バネ式のアームでダンボールに圧力をかけるのではなく、ホイール自体が均等に変形することでダンボールを所定の位置で優しく押さえます。

しかし、このホイールを作るための成形型は従来の方法では製作がほぼ不可能でした。ホイールに複数空いている雫型の空洞を成形するために使う「フィン」の間隔が非常に狭いためです。

ホイールの幅は2インチほどで、フィン同士の間の壁の厚みは僅か0.125インチです。「深さが2インチでフィン同士の間隔が0.125インチというのは不可能ではないかもしれませんが、この設計を送ったら工場の人たちは怒るでしょうね」とBaer氏は言います。

加工が難しいだけでなく、分割式のアルミ成形型を使用する場合は組立工程がさらに複雑になります。トレードオフとして、フィン同士の間隔の加工が非常に難しくなることを承知でフィンも一体型になった成形型（上の画像参照）を作るか、すべてのフィンを個別に製作して後で組み立てるか、の選択肢がありますが、後者の場合も準備や小型部品の組立作業が増えるために結局は工場の作業量やフラストレーションが高まることになります。

そこで、3Dプリントが最も合理的なオプションになったのです。Baer氏は、取り外し可能なベアリングをつけた二つ割の成形型をSolidworksで設計し、High TempレジンとRegid 10Kレジンを使ってForm 3Lでプリントしました。Rigid 10Kレジンを使用したことで、金型製作にかかっていたであろうコストに比べてほんの僅かな金額で顧客向けに25個のホイールを製作できました。「極小のホイールを、バリエーションやスタイルを様々に変えていくつも製作しました。Form 3Lの導入前であれば、コスト効率が悪くて実現できなかったでしょう」とBaer氏は言います。

ヒューストン・アストロズの本拠地球場には、悪天候の時に使用する開閉式のドームが備えつけられていますが、ハリケーンでもドームの張りと機能性を維持できるスプリングの製作を担当しているのが、Kastalonです。

Kastalonは、実際にスタジアムで使用する巨大なスプリング用の成形型を製作する前に、まず縮小版の部品を作り設計や使用材料の検証を徹底的に行いました。実製品が長時間過度な負荷に晒されても耐えられる最適な設計にするため、細かな変更を加えながら、様々な形状やポリウレタンの配合でスプリングレート（ばね定数）の変化を検証しました。

社内検証で使用する場合には特にそうですが、検証用にサイズを小さくしているとはいえ、アルミ型はやはりコストが嵩みます。Form 3Lを導入した今、同社はスプリングの様々な設計を遥かに低価格で、そして工場の稼働を独占してしまうことなく検証できるようになりました。

Baer氏はこう言います。「ちょっと変わった様々な形状も3Dプリントして検証できるようになりました。3Dプリントの導入前であれば、検証や研究開発のためだけに莫大な費用がかかっていたところです」新しく、複雑な形状も加工に高額な費用や膨大な作業量を費やすことなく検証できるようになったことで、Kastalonはより多くの注文を受けられるようになっただけでなく、既存顧客向けにより良い部品を提供できるようになっています。

コーティング済みのローラーやローラー用のスリーブなどを製作する場合、従来の製法ではポリウレタン材料を筒状に鋳造し、希望のサイズや表面品質に仕上げるために外径を加工で削り落とす工程が必要でした。加工で溝を削るステップでは、ローラーの用途によって様々な形式やサイズが採用されます。　今回のケースでは、軟質のポリウレタンに対して横方向に長い溝を加工する手強い作業です。大型注文の場合、このような手作業かつ負荷の高い加工作業は注文の利益率を下げることになり、かつ工場での作業に膨大な時間がかかります。「軟質のポリウレタンを加工する場合は周りが散らかりやすく、必ずしも良い仕上がりになるとは限らないのです。切断した後の仕上がりもいつも綺麗にはいきません」とBaer氏。

加工で直接溝を削る作業は、ローラー1つに対して3時間ほどかかる作業です。しかし、これを一体型の金型として加工するには費用もリスクも高すぎます。このような形状の成形型をこれまでに作ったことがなく、成功するかどうかが定かでない場合には尚更です。金型を作るには、ワイヤーツールかインデックスヘッドのついたシェーパーが必要ですが、どちらも特定の形状や用途に特化した高価な装置です。

Baer氏はこの状況を把握し、新しい挑戦をするチャンスと捉えました。ポリウレタンの鋳造時に予め溝をつけられるような成形型を設計・3Dプリントしたのです。Form 3LにてHigh TempレジンとRigid 10Kレジンを使って直接プリントしたことで、コスト効率良く、手作業で何時間もかかる作業を排除することに成功しました。

材料選定の際にBaer氏が重視しているのは、高精細さと積層ピッチ、リットルあたりのコスト、強度、色や透明度などですが、ほとんどの場合はHigh TempレジンかRigid 10Kレジンのいずれかを選ぶことになります。試作品や1回限りの製作、非常に数量の少ない成形型などの製作には、価格が安い透明材料のHigh Tempレジンを選びます。試作品用途では、設計変更などの必要性を確認するためにも、部品の中の様子が見える透明材料が便利なのです。一方、大量に鋳造される部品などには、優れた材料特性を持つRigid 10Kレジンを使用します。「最近では、離型時の荷重にも耐えられるRigid 10Kレジンをメインで使うようになっています」