コスト効率とカスタマーゼーションの両立：Labconcoの3Dプリント戦略的活用法

Labconcoのガラス食器洗浄機ラインには、アディティブマニュファクチャリング（AM）で製造した部品など、エンジニアリングの最先端技術を使って生産した部品が組み込まれています。そのような部品の1つである充填検知センサは、水が溢れ出すのを防ぐ機能のバックアップとして活用されています。従来の製造法では、まず2つの部品を別々に射出成形してから、後でその部品同士をピンで固定して組み立てる、という工程で生産されていました。

しかし、LabconcoのプロダクトエンジニアであるTim Grove氏は、SLS 3Dプリントで部品の生産にかかるコストと時間を削減できる可能性を見出しました。FormlabsのNylon12パウダーの標準サンプルであるクリップケースの可動部から着想を得たGrove氏は、充填検知センサの再設計に取り組み始めました。ここでの目標は、アセンブリを合理化し、複数の金型製作が必要なことによるコストを削減することです。

Griffith氏と何度も試作・検証を重ねて複数のバージョンを作成し、最終的に完璧な機能と最高のパフォーマンスを発揮する部品を設計することことに成功しました。

「機能性も完璧で、プリンタしたそのままの状態でアセンブリも要らないため、多くのコストが削減でき、生産工程に柔軟性が得られます。Fuseシリーズのプリンタで使用できるNylon12パウダーが、バランスの良いポリマー材料だと感じます。様々な用途に活用できますし、私たちにとっては非常に使いやすい材料です」とGriffith氏は言います。

穀物分析に使用するLabconco Kjeldahl製品に欠かせないブロワーホイールを製造するために、チームは以前まで外部サプライヤーに金型製作を依頼していました。ところが、生産数量が少ないために、そのサプライヤーでは金型のEOLに達した時点で生産を終了することが決定したのです。

そのためLabconcoは、新しいサプライヤーを探す必要性と、新しい金型の設計や製作の待ち時間、材料と人件費の高騰という様々な課題に直面することになりました。「十数種類の方法を検討しましたが、当社の仕様、特に化学的適合性を満たすものは見つかりませんでした。なので結局、製品を複製して部品をリバースエンジニアリングし、3Dプリント用に最適化してRigid 10Kレジンで造形することにしたんです。耐久性も検証した結果、これが最善策だとわかりました」とGriffith氏は言います。

ちょうど良いタイミングで新たな大容量SLA光造形3Dプリンタ、Form 3Lが届いたため、Griffith氏たちはリバースエンジニアリングしたブロワーホイールを40日間連続でプリントし、部品の在庫を増やすことに成功しました。

「複数の部品の生産に、Rigid 10Kレジンを使っています。このホイールの場合は酸、特に気化硫酸だったのですが、Rigid 10Kレジンの持つ化学的適合性で要件が満たせることがわかりました。アディティブマニュファクチャリングに切り替えたことで、サプライヤーや新しい材料を検証する時間を何百時間も節約することができました。そういう意味で、この一件はビジネスケースとしても3Dプリントの効果が実証された案件になりました」とGriffith氏。

構造が比較的単純な部品でも、従来の製造法で作ろうとするとコストがかかります。2つのベアリングを分離し、互いに引っ張り合ってしまうのを防ぐ、セパレーターという部品の製作のため、加工業者に見積りを依頼したところ、1点につき約$500という金額が出てきました。この部品は新製品に使用するもので、Labconcoでは既に3Dプリントラボでユースケースを実証済みのものでした。Griffith氏はすぐにFuse 1+ 30Wでセパレーターのプリントを開始し、価格を$45程度にまで下げることに成功しました。これは、加工業者に外注した場合の10分の1の価格です。

改善はそれだけにとどまりません。Griffith氏は、ペンシルベニア州立大学のAdditive Manufacturing and Design Programで学んだ原理を活かし、単なる1対1の置き換えではなく、設計全体を最適化することに成功しました。

Griffith氏は、ジェネレーティブデザインを活用し、作業員の安全を守るセパレーターの安全装置は維持しながら、部品全体の材料を削減する設計を模索し始めました。そして僅か1日以内に設計を最適化し直すことに成功し、LabconcoはSLS 3Dプリントを活用したことで造形単価$20ドル程度で部品の内製を開始することができました。

「3Dプリントは、形状の自由度という点で非常に大きなメリットが得られます。部品を軽量化したり、様々な設計技術を実装したい場合には、これまでには実現されてこなかった方法で部品を組み合わせることもできるんです。製造を内製化することで、コストを大幅に削減することも可能です」とGriffith氏は言います。

常に品質を追求し続けるLabconcoは、主力製品の1つに使用する生物学的安全キャビネットという重要部品の検証も行っています。このキャビネットは、内部で使用する製品と作業員の安全を確保するために必須のコンポーネントで、特定の気流パターンとHEPAフィルターが必要です。最高レベルの性能を保証するために、これらのフィルターには厳しい試験が行われ、認定を受けて初めて完成品になります。

以前は、この試験工程が人間の作業員に大きく依存していたため、潜在的なばらつきや限界がありました。しかし、Labconcoは革新的なアプローチを採用し、ロボットシステムの力を利用して各フィルターのスキャンを完璧な精度で自動化しました。自動化へシフトしたことで、試験を行うロボットアーム用にカスタム金型とエンドエフェクターの開発が必要になりました。従来の製造法では法外なコストがかかり、製作期間も数か月程度かかる可能性があります。必要な部品数が少ないため、Fuseシリーズのプリンタで3Dプリントできることが要でした。

Labconcoは、Fuse 1+ 30WでSLS部品を内製したことでコンポーネントの日々の利用率を大幅に向上させ、製品の安全性試験の精度と信頼性を高めることができました。アディティブマニュファクチャリングを追加したことが大きな転機となり、業務が合理化されただけでなく、製品の安全性と性能を妥協せずに確保できるようになりました。

Labconcoはヒュームフードの生産を商業化した最初の企業で、現在ではこの製品部門が同社の中で最も重要な部門の1つとなっています。ヒュームフードは、化学、製薬、農業関連の大型事業では欠かせない製品です。

その部品の1つである機能性サッシストッパーは、フードのサッシが定められた箇所以上に開かないようにする（つまりエネルギーコストを節約する）もので、以前は射出成形で製造されていました。1つの金型を使って大量の部品を製造するため、大口顧客のために設計を変更したりカスタマイズしたりすることが自由にできませんでした。使用を重ねると金型は劣化していきますが、交換の際はサプライヤーを安定して頼れない場合もあります。Griffith氏たちはこういったサプライチェーンの問題に対処すべく、Fuse 1+ 30Wでサッシストッパーをプリントし始め、現在ではNylon12パウダーを使って週に50～100点の部品を生産しています。

「成形の場合、一度部品を作ってしまうと簡単には修正できません。本来は起こるべきではなく、だからこそ頻度も少なく済んではいますが、それでも射出成形で作った部品がようやく届いて使用を開始した途端に壊れ始めたり、意図したとおりに動作しなかったりして、苦しめられたことが過去にありました。3Dプリントを活用するようになってから、部品によっては3Dプリント用に設計を変更しておけば再設計が必要な時も手間が省け、変更可能な領域も広がることを、今のエンジニアたちは認識しています。価値あるもの全てに値段がつけられるわけではありません。私は、アディティブマニュファクチャリングにはそういった『目に見えない』大きなメリットがあると考えています」とGriffith氏は語ります。

キャリアをスタートさせたばかりの若い従業員に自信を与えられることも、3Dプリントで内製をするもう1つのメリットです。新しい金型を注文する時に完璧な状態にしておく必要がないため、新しいことに挑戦したり、新しいアイデアを取り入れたりする意欲が高まります。「若いエンジニアには、部品を見ただけで『これはうまくいく』と言えるような20年来の実務経験はまだありません。3Dプリントができれば、何か1つ、あるいはたくさんのことを試すことができ、それが失敗しても取り返しのつかないことにはなりません。そういう意味で、挑戦する気持ちを後押ししてあげられるんです。どんな問題に対しても、一番クリエイティブな最善策を見つけ出すこと。彼らには、そういう頭の使い方ができるようになってほしいと思っています。そのためにも3Dプリントが重要な役割を担っています」とGriffith氏。