カスタム治具・固定具の作り方

カスタム治具・固定具の設計は、3Dプリントのように複雑形状に対応できる測定ツールや製造方法があれば、比較的容易に行えます。まず、部品や設備のCADデータ、キャリパによる測定値、または3Dスキャンデータに基づいて、CADでモデルを設計します。出来上がった設計は、そのまま3Dプリントや加工で製造することも、型を作るための原型として使うこともできます。

カスタム治具・固定具の設計プロセスを最適化する方法はいくつかあります。

• 形状の複雑さを高める：3Dプリントでは、複雑な形状や数字、名前、日付、その他関連情報を追加コストなしで設計に組み込むことができます。

• 部品点数を減らす：これまで、複数部品から成る治具・固定具を成形するのはやや難しいこともありましたが、3Dプリントなら一体で造形が可能なため、ワークフローを簡素化できます。 

• データム要素を設計に組み込む：完全な直角などの理想的な形状を備えた治具や固定具は、完成品の検査がより簡易かつ正確になります。

• 補強して剛性を高める：補強リブやフィレットを追加することで、製造単価や製作時間を劇的に増加させることなく、構造強度を高められます。

• ねじヘリサートを追加して耐久性を高める：3Dプリント部品にヘリサートやポケットを設け、ボルト締結時にナットを保持できるようにすると、3Dプリント製治具の耐久性が向上します。

• 切り屑を逃がせる設計にする：治具や固定具に溝やチャネル、丸みをつけることで、サブトラクティブ工程で発生した切り屑や余分な材料を除去しやすくなります。

• ユーザーエクスペリエンスを考慮する：治具や固定具を片手で使用でき、配置エラーも簡単に識別が可能で、人のサポートや操作なしでワークを保持できるような設計にします。

治具や固定具は様々な材料で作ることができ、多くの場合、治具が使用されるワークフローと同じ材料・工程で作られます。通常、メーカーがこうした治具を作る時には内製または外注で、金属（時にはPOM、またはデルリンなどの樹脂を使用するケースも）を切削して作る方法が一般的ですが、切削加工にはCAMの設定と加工機の設備やオペレータの人件費が必要となります。また、多くの治具は複数の部品で構成される複雑な構造のため、その分加工の難易度も上がります。外注の場合は何週間もの製作期間と高額なコストが必要となるため、必要な治具をカスタムで、かつ短期間で製作することは難しくなってしまいます。しかし、治具にかかる負荷の大きさによっては、必ずしも金属製でなくても良いケースも存在します。

材料を選ぶ際は、コスト、製造の容易さ、製作期間、構造要件などを考慮する必要があります。様々なプラスチック材料を使ったカスタム治具・固定具は、アディティブマニュファクチャリングだけでなく、フライス加工のような従来の後方でも製作できます。

日本の甲子化学工業の自動組立機では、リフトやグリッパなど、SLS 3Dプリンタで造形した治具・固定具が数多く使用されています。

FormlabsのElastic 50AレジンやFlexible 80Aレジン のような柔らかいゴム材料から、PEEK、Formlabs Rigid 10Kレジン、Nylon 12パウダーのような硬く高強度な材料まで、幅広い材料特性から選ぶことができます。ESDレジンのような特殊材料には、静電気放電を安全に消散させるなど、電子機器アセンブリのような用途に不可欠な独自の利点があります。

材料の選択肢が広いことで、生産用治具メーカーは切削や成形で作る既存の生産用治具を無駄にすることなく、性能に応じて適切な設計や材料を選ぶことができます。アディティブマニュファクチャリングによるプラスチック製の治具や固定具は、一般的に製作期間が大幅に短く、数時間で内製することができます。  

ただし、非常に高温な用途や極めて大きな荷重がかかる用途、同じ工程を何百回・何千回と繰り返す用途では、耐摩耗性や耐久性が重要になるため、依然として金属製の治具や固定具を使う必要があります。金属製の生産用治具はプラスチック製よりも高価で、製作期間は最低でも2週間かかることが多く、重量も大きいため人間工学的にも不利になります。

ここ数年の間に、高精度3Dプリンタが手頃な価格で入手できるようになり、使いやすさと信頼性も向上しました。その結果、3Dプリントは多くの企業で導入される一般的な技術となった一方で、市場に存在する様々な3Dプリンタから適切なものを選定することも難しくなってしまっています。こちらの技術ガイドでは、現在最も普及している3Dプリント方式であるFDM（熱溶融積層）、SLA光造形、SLS（粉末焼結積層造形）の3つの方式を比較します。

治具を3Dプリントで製作する場合、速さと使いやすさ、コストの観点からFDM方式が多く選ばれます。製作したい治具の要件に以下が含まれる場合には、SLA光造形やSLSの方が適しています。

• 精密な形状、高精度、滑らかな表面品質が求められる

• 強度や耐久性など、優れた機械的特性が求められる

• 複雑な設計

• 高い生産能力

以下の表では、SLA光造形かSLSのどちらかを用いて生産用治具の製作を行う際に考慮すべき事項をまとめています。詳細については、Formlabsの造形方式の比較をご参照ください。

3Dプリンタは、間接費や設置スペースを比較的低く抑えながら導入することができます。Formlabs Form 3+のようなデスクトップサイズ3Dプリンタの場合、$2,500程度から導入が可能で、幅広い材料特性に対応しています。Formlabs Form 3Lのようなベンチトップサイズの光造形プリンタや、Fuseシリーズのような工業用SLS 3Dプリンタも比較的導入しやすい価格帯にあり、従来の大型3Dプリンタのような複雑なインフラを必要としません。

こうした技術を社内に持つことで、たとえば熱成形や塗装などの特定工程を担当する従業員でも、3Dプリント設備に容易にアクセスし、カスタム治具・固定具を製作できます。一連の工程は1日以内に完了するため、ダウンタイムの削減とワークフローの即時改善につながります。メーカーは生産に関わるより多くの要素を自ら管理できるようになり、カスタム治具・固定具がワークフローに即座にプラスに働く領域を容易に特定できます。

3Dプリントは、製品や設備の破損を減らすための治具・固定具を作るうえでも有効なソリューションです。万力やクランプのような従来のワーク保持システムでは、不定形な形状や繊細なディテールを持つワークを十分に固定・支持できません。無理に用いると、うまくフィットせず無理な固定によってワークが損傷する原因になり得ます。一方、柔らかめの材料で3Dプリントした位置決め固定具なら、削り出しのプラスチックや金属ブロックで作られた硬い固定具に比べ、組立工程で生じる衝撃を和らげられる可能性があります。

オーストリアの自動車部品サプライヤーPankl Racing Systemsは、競技車両や高性能車、航空宇宙分野で使われるエンジンやドライブトレイン部品の開発を専門としています。同社は、SLA光造形でカスタムメイドの治具製作を内製化しています。

ある二輪用のギアボックス・アセンブリを製造する案件では、スチールを自動旋盤で複数回に分けて加工する必要がありました。自動旋盤による各段階の切削では、個々のギアの種類ごとにカスタムメイドの治具が必要になります。外注の場合、納期が6週間後になることがわかっていました。FormlabsのSLA光造形3Dプリンタで治具製作を内製して以来、製作期間を90%、コストを80〜90%削減でき、合計で€150,000もの節約につながりました。

熱成形は、プラスチックシートを加熱し、真空、圧力、または機械的な力で希望の形状に成形する製造プロセスです。Productive Plasticsのある案件では、機械のクランプフレームが金型より大きかったために、カスタムのスペーサー固定具が準備できるまで作業を止めるか、不必要に大きなプラスチックシートを使ってコスト増を受け入れるかしかありませんでした。そこで同社は、金型とフレームの間隔を適正化するカスタム固定具を、社内の3Dプリントで製作することにしました。

3Dプリントを活用して治具・固定具を内製することで、課題の発見から解決までの距離が縮まり、ダウンタイム削減が見込めます。製造フローを熟知した従業員は、問題が発生する前にその兆候を捉え、工程を円滑化する治具・固定具を事前に設計できます。同僚と密に連携することで、現場の課題を洗い出し、工程をより安全で効率的、かつ正確なものにする治具・固定具を24時間以内に設計することも可能です。

それに対して、治具・固定具の外注は本質的に後追い型です。問題発生後にそれを解決するためのカスタム生産治具を発注すると、数日から数週間のダウンタイムが生じることがあります。