SLS 3DプリントでEatonのシングルピースフロー生産を効率化

Eatonのニューヨーク州オリーン工場は、FormlabsのFuseシリーズ導入からわずか1年ほどで運用コストの大幅削減と従来のデルリン切削による治具の90％置き換えに成功し、現場の対応力と生産効率を大きく向上させました。

製造現場でいう「シングルピースフロー」には、非常に多くの変動要素が絡み合います。オリーン工場では、毎日15,000個もの金属酸化物バリスタ（MOV）がこのシングルピースフローを通過します。原料は圧縮、塗装、研磨、溶接、検査を経て、最終的に電柱や変電設備向けのサージアレスタとして組み立てられます。

多数の機械やロボット、可動部が稼働しているため、オリーン工場では常に治具や固定具、エンドオブアームツール（EOAT）、自動化補助具、交換部品などといった多様な治具を必要としています。これら治具は生産工程に不可欠であるものの、従来の方法では製作から納品までの期間が長く加工コストも高額、形状も重々しく扱いづらいといった課題がありました。

Formlabsは今回、オリーン工場のシニア製造エンジニア TJ・Zurell氏と、Eaton Additive Manufacturing Center of Excellence（AMCoE）にお話を伺い、SLS 3Dプリントによってどのようにコスト削減、高効率化、現場の創意工夫と合意形成の促進、さらにはサプライチェーン強化を進めているのかを探りました。

Eatonは35か国・209の製造拠点、約9万3千人の従業員を擁し、常に新しい手法・プロセス・製品を開発し続けています。製造業界およびその他業界のデジタル化を促進するインダストリー4.0の実装戦略として、Eatonは3Dプリントを活用したアセンブリラインの問題解決、作業員の安全性改善、生産性向上、コスト削減などを掲げています。

AMCoEは2016年、Eatonの航空宇宙部門に特化した3Dプリント研究プロジェクトとして設立されました。現在は、Eatonの209拠点向けに3Dプリントの知識を共有するハブ＆リソースセンターとして機能しています。AMCoEのアディティブマニュファクチャリング・アプリケーションマネージャーを務めるKathleen Chou氏は、「AMCoEは各製造拠点で発生する課題に対して支援する拠点のひとつ」と言います。

Eatonのインダストリー4.0 グローバル・アディティブマニュファクチャリング戦略マネージャーであるCameron Peahl氏は、社内の各部門のリーダーで構成されるグローバル監督委員会を統括し、各拠点が可能な限り最良の技術と最新知識にアクセスできるよう取り組んでいます。「Eatonは製造拠点も製品ポートフォリオも多様なため、アディティブマニュファクチャリングの実践には非常に魅力的な環境です。ただしその分解決しなければならないことも多く、高い集中力が必要です」とPeahl氏。

3Dプリント業界の進化は速く、ほぼ毎日のように新しい材料・プリンタ・用途が登場しています。Eatonのグローバルカウンシルは、各拠点の評価や統合に関する負担を軽減し、拠点ごとに独自のワークフローに集中できるよう促すことを目的として設立されました。「全拠点が最適なものを選択して投資し、成長していけるよう、様々な方式に対応した標準ポートフォリオを策定しました」とPeahl氏は言います。

グローバルカウンシルの標準を満たすために、AMCoEは新技術を厳格に評価し、各拠点への適合性を判断します。「システムを適切に審査するには通常6〜9か月かかります。審査の中で重視するのは、使いやすさ・信頼性・再現性です」とPeahl氏。

生産現場では、機器の設定調整に費やす時間は生産時間の損失に直接的につながります。国内メーカーの生産性向上が求められる中、3Dプリンタには極めて高い信頼性とシンプルな操作性が求められます。「私たちは信頼して使用できる産業機を求めています。サービスチームの電話を待つ時間も、設定をいじる時間もありません。必要なときに必要なものをプリントできることが絶対条件で、マシンが床に置かれたまま動かない時間は、私たちにとってはお金と機会の損失です」とPeahl氏は言います。

2021年、AMCoEチームは複数のSLA光造形プリンタを評価しましたが、使いやすさ・信頼性・再現性の3つの要件をすべて満たすメーカーは見つかりませんでした。

「その頃にFormlabsを試し、即座に使いやすさが違うことを実感しました」とPeahl氏。Form 3世代を導入してFormlabs SLA光造形プリンタのワークフローを標準化したEatonチームは、2024年にはForm 4およびForm 4Lへとアップグレードしました。

FormlabsのSLA光造形プリンタを初めて評価してから数年が経つ今、Form 4とForm 4Lは、生産・組立ライン向けに高精度部品を求める現場へとEatonが推奨する機種になっています。射出成形プラスチック部品の交換部品が必要になった場合には、AMCoEがわずか数ドルのコストで1週間以内にプリントして拠点向けに出荷します。巨大設備の交換部品の場合、OEM製の射出成形品を待たなければならないことがありますが、こうした専用部品は納品までに数か月かかることがあります。3Dプリントは、こうした一点物の部品も迅速かつ低コストに製作し、代替品としての提供を可能にしています。

「サブミクロン級の精度、優れた表面品質、高い再現性を持った治具や成形型が必要だと言われれば、すぐに『SLA光造形の出番だな』と考えます」とPeahl氏は言います。

AMCoEがFormlabsのSLA光造形プリンタを推奨する理由の一つは、材料の多様性にあります。拠点では、クーラントや絶縁材、コーティング液など、さまざまな化学物質を異なる温度・環境で扱うからです。1つのシステムで幅広い材料が利用できる点が、日々新しい要件が発生する現場で非常に重宝されています。

「SLA光造形は、硬度・強度・剛性・耐熱性などの面でユニークな材料特性を提供してくれます。私たちが気に入っているレジンの一つは、Formlabs Colorレジンです。カスタムカラーや特定の色で造形が必要な場合、他の方式では難しい、実際の色に近いカラーで試作できます」とPeahl氏。

EatonのAMCoEは、Formlabs Fuseシステムを採用する以前から、SLS（粉末焼結積層造形）方式を長年活用していました。「SLSには、サポート材が不要で後処理が容易、幾何公差にも優れ、ナイロンなどのエンジニアリンググレードの材料が使用できるなど、多くの利点があります。プロトタイピングや、高剛性が求められる治具の製作に非常に有利です」とChou氏。

以前導入していたSLSプリンタは、価格が50万ドル近い大型の産業機で、ワークフローも複雑で専任のオペレーターと手厚い技術サポートが必要でした。これらは訓練を受けたAMCoEのスタッフが運用していましたが、拠点向けに推奨できるような調整不要で扱いやすく信頼できる機器とは言い難い物でした。「こういった機器は、作業場が汚れやすく、大型で取り扱いが煩雑、そして非常に高価なことが問題でした」とPeahl氏は言います。

サポートレスでの造形が可能でエンジニアリング材料を使用できるというSLSのメリット維持しつつ、各拠点でも操作性と信頼性を備えたプリンタを必要としていたAMCoEは、2022年、Fuseを導入して本格的な評価を開始しました。

Fuse 1+ 30W、Fuse Sift、Fuse BlastからなるFuseシリーズのエコシステムを評価した結果、AMCoEは現場で複雑な治具を迅速・低コストに作れるソリューションとして推奨し始めました。「工場のような産業環境で得られるアディティブマニュファクチャリングのメリットは、そのスピード、回復性、そしてクリエイティビティです」とPeahl氏。

製造業において、ダウンタイムは最大の敵です。シングルピースフロー内で50台もの大型機械が連携するため、わずかな不具合や遅延でも全体の生産量に大きな影響を及ぼします。「何かが止まれば、部品の交換を手伝ってくれるインテグレーターの到着を待つか、部品を外注加工に出すしかありません。時には、新しい部品が届くまでに8〜12週間のダウンタイムを要することもあります。そうなると工場にとっては致命的です」とPeahl氏は言います。

ダウンタイムを抑える新しく効率的な方法を見つけることは、現場の重要な責務です。SLSを活用したオンデマンド製造を理解したことで、現場チームは新たなことに挑戦し、代替策を提案し、日々の非効率に気づくようになりました。オリーン工場でFuseシリーズを広く利用可能にしたことで、新しいアイデアや効率的な工程が次々に実装されています。

現在、Fuseシリーズで数千点の部品をプリントしているオリーン工場ですが、そもそもエンジニアたちが3Dプリントに触れるようになったのは自宅のデスクトップFDMプリンタがきっかけでした。「私たちは皆、それぞれの趣味があり、家では小型プリンタを使っています。初期試作には今でもFDMを好んで使いますが、『何個作るか』『どれくらい頻繁に必要か』を常に考えるようにしています。年に一度以上必要ならSLSに回します」とZurell氏は言います。

SLSプリントは万能薬ではありませんが、Fuseシリーズを核とする社内SLSエコシステムにより、オリーン工場は小さな改善の積み重ねで時間とコストの大幅削減を実現しています。

製品や拠点、言語、ワークフローが多岐にわたるため、3Dプリントのアプローチとして単一の答えがあるわけではありません。しかし、AMCoEはオリーン工場のような現場に合わせ、汎用的なものから拠点ごとに特化した具体的なものまで、様々なアドバイスやソリューションを提供しています。

「アディティブマニュファクチャリングは、迅速な試作・検証サイクルと即時フィードバック、素早い学習と早期の失敗・改善を可能に、従来の製造から、本当の意味で先進的な製造へと踏み出すきっかけを与えてくれます」とPeahl氏は言います。オリーン工場がFuseを導入した当初、ROIは9か月と見積もられていました。しかし導入が進むと、現場から日々の課題に基づく新しい改善提案が次々と上がってくるようになりました。

以下からFuseシリーズの詳細をご覧いただけるほか、NylonおよびTPUパウダーの品質を直接お確かめいただけるサンプルパーツのリクエストも受け付けています。お気軽にお申し込みください。