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今日は今まで切削とか板金で作っていた部品を金属3Dプリントで作ったらどんな恩恵があるのか？
金属3Dプリントのメリットを最大限に活かすための、設計におけるポイントまでいろいろ話していきたいと思ってます。
動画で確認したい方はこちら↓↓
[プロ向け]金属3Dプリントで部品はここまで変わる！使いこなすコツも公開 // PCBWay
もくじ
実際に部品を作って設計上のメリットを説明します！
今回は、実際に3Dプリンターのビルドプレートを交換するロボット用のハンドを作ってみました。
簡単な部品に見えて、この部品の中に『従来の加工ではできない構造』や『最軽量化』や『部品数の最小化』など3Dプリントだからこそできる設計が盛りだくさんです。
左から、今回3Dプリントを依頼した金属（アルミ）製の部品、ガラス繊維強化ナイロン製の部品、FDM機（FFF機）で作成したプラスチック製の試作品です。
皆さんは、実際に使用する部品を3Dプリント技術を使って作成していますか？
私は本業の機械設計でも頻繁に使用しています！
外注の3Dプリントサービスを利用したり、FDM機で作成した部品をそのまま納品することもあります。
今回はより具体的に説明するために、例として自分の専門であるロボットアーム用のハンド、専門的にはエンドエフェクターと呼ばれる部品を使って説明します。
3Dプリント技術を応用するとどのようなメリットがあるのか、実際の形状を見ながら解説します。
設計の選択肢として頭に入れておくことで、ご自身が部品設計をする時に役に立つこと間違いなしです。
ご自身の携わっている製品にどうやったら活かせるのかを考えながら読んでみてください。
今回は少しプロ寄りの話にはなってしまいますが、個人でモデルを作成している方々にも、
金属プリントや業務用プラスチックの強度をお見せするので、
強度が求められる部品や金属部品が必要な時に役立つ知識を提供できればと思います。
今回、依頼した3Dプリントサービスはコチラ↓
3Dプリント品の特徴・メリット
形状の制約が少ない・自由度が高い
3Dプリント品で部品を作ると、切削や板金では実現できない複雑な形状が作れるという大きなメリットがあります。
切削加工する場合は、工具が入るルートを形状的に実現する必要があります。
板金加工では、シートメタルと言われる展開形状を考慮しながら部品を作成する必要があります。
例えば、このエンドエフェクターには深く長い溝形状があります。
切削で作るにも、エンドミルが入る深さ＆形状ではないので、一部品では不可能です。
この溝形状は3Dプリント品だからこそ実現できる形状ですね。
さらに、吸着パッドを使用して物を吸い付けるために空気を吸う流路があります。
この流路はホースの口から吸盤まで完全に中で完結しています。
これもまた切削加工で作るには一部品では不可能です。
ホース形状の部品を連結することで実現するしかありません。
これは、3Dプリントの最大のメリットだと思います。
部品の軽量化だけでなく、部品点数の削減が可能
複数の機能を一つの部品に収めることで、部品点数を削減し、見た目をシンプルにすることができます。
これにより、組み立ての工数が大幅に削減され、人件費の削減にも繋がります。
例えば、今回作成したハンドの場合、部品点数を26部品→4部品に減らすことができました。
これは重量の大幅な軽減にも繋がり、ロボットが持ち上げられる重量に直接影響します。
今回のハンドの場合は、全体重量の60％が削減できました！これは大幅な削減ですね。
実際のロボットのハンド設計においても、ロボットの重量によって持ち上げられるものの重さが変わってくるので、ハンドの軽量化が重大なポイントになっています。
このように機能の向上に軽量化が効果的な部品については、3Dプリントの活用を検討するとよいと思います！
選べる材料の種類が豊富
3Dプリント品では材料の種類が多種多様で、いろいろな材料に対応できます。
例えば、今回も使用した、アルミやプラスチックでもガラス繊維強化ナイロンなども安価に使える材料としてあります。
金属系ではチタンやステンレスなどの選択肢も増えています。
【PCBWay】チタンで3Dプリント品を作ってもらった！本当にチタン？炙って検証していく！
材料を調べれば、求めている材料が見つかる可能性が高いです。
日々進化しているので、より一層、外注の3Dプリントサービスが使いやすくなっています。
レジンの材料もあるので、透明な部品を作ることも可能で、幅広い用途に使えるというのが大きなメリットです。
【PCBWay】中国の3Dプリントサービスでデカ透明のケースを作ってもらった結果
とはいえ、実際に3Dプリントサービスを依頼するとなると【設計の失敗のリスクが高い】とか【コストが高いんじゃないの？】など、足踏みしてしまうことも多いと思います。
意外と思われるかもしれませんが、これらのハードルは比較的低い！
導入するハードルを下げるポイントを2点紹介したいと思います！
家庭用FDM機で試作してからのサービス利用がおすすめ！
家庭用のFDM/FFF機の性能が向上しており、試作品を作って設計を確認してから外注することで設計における失敗のリスクを大幅に低減することができます！
今回も、CrealityのK1という家庭用3Dプリンターで試作品を作成しました。
家庭での試作を通じて、デザインが確定した後に外注することで、さらにリスクを下げることができます。
最近の家庭用3Dプリンターってすごくて、試作品でも気密性がしっかりしてて実際に吸盤も機能してくれます。
試作品で機能まで確認できて設計を確定してから3Dプリントサービスに発注することで失敗のリスクを大幅に軽減できます！
これは、外注を躊躇している設計者の背中を押せる使い方だと思います！
Webで簡単見積もり可能！
価格の面も心配なポイントでハードルを上げている部分だと思います。
自分の場合は、本業で使う場合は国内サービスであるDMM.Makeさんを利用したことがあります。
価格の面では、国内メーカーよりも中国の3Dプリントサービスが安価な印象があります。
今回も、PCBWayさんに依頼して作ってもらいました。
今回、依頼した3Dプリントサービスはコチラ↓
ウェブ上で簡単に見積もりを取得できるようになっています。
STLファイルとかStepファイルなどでモデルのデータをWebでアップロードすることで気軽に見積もりを依頼することができます。
値段と納期
今回、DMM.makeさんと中国のPCBWayさんに同じ形状・サイズで見積もりをとってみました。
DMM.Makeさんで製作を依頼する場合は、鋳造アルミで約10万円で納期が14～21日で作ってくれます。
ナイロンで製作を依頼する場合は、約1万円で納期が12～19日でした。
中国のPCBWayさんでは、同じ鋳造アルミが約2.1万円で納期が9～10日でした。
これは、輸送のリードタイムは無視している納期なので、実際に部品が届く日にちとは異なります。
価格も納期もPCBWayさんの方がいいですね。
価格は80％OFFって感じですね！
ナイロンもPCBWayさんの方が、約40%のコスト削減になります。
モデルを国外に出したくない場合などの事情がない限り、中国の3Dプリントサービスを活用するのがオススメです。
PCBWayさんをおすすめする理由
中国のサービスでは、他にも3Dプリントを扱っているメーカーはあるのですが、個人的にはPCBWayさんがおすすめです。
推奨する理由としては、材料の種類が豊富っていうところが大きいです！
アルミやチタン、透明パーツ、ガラス繊維強化ナイロンなど、幅広い材料に対応してます。
もっと安価なメーカーはありますが、アルミが非対応であったり選択できる材料が少ないなど不便な点が大きかったです。
国内のサービスと比較すると爆安で、納期も早い点が魅力です。
今回作成したエンドエフェクターは、2つの部品で注文し、輸送期間を含めて10日で到着しました。
このスピーディな対応は、海外での生産であっても個人的には非常に良いサービスだと感じています。
3Dプリントを最大限に活かす設計のポイント
次に、3Dプリント品の設計におけるポイントを実際のモデルを見ながら解説していきます。
まずこれが、Beforeのモデル！
すごく一般的な作り方ですね。
アルミの押出材のフレームに板金をネジ留めして作成する感じになります。
吸盤も青い部分がネジになっています。ナットや板金も多く使っている設計になっています。
このような一般的な設計では購入品単位で26部品になっています。
二つの吸盤を使うための形状としては部品点数も多く重量もあり組み立ても手間がかかる設計になっています。
このような設計にもメリットはあります。
各部品がネジで留まっているだけなので、微調整が可能、作った後でも設計変更があった場合に変更部品だけ組み換え可能です。
では、3Dプリント設計ではどうなるのか？というところですね。
複雑な形状が作れることを活かし、できるだけ多くの機能を一体化させることが重要です。
例えば、吸盤は消耗品なので交換可能にする必要がありますが、3Dプリントならそれも一体化できます。
先ほどの一般的な設計では多くの部品を使って実現している部分も一体化することができています。
結果として、部品点数が大幅に減少し、組み立てが簡単になります。
流路も一体化できたことで空圧チューブを直接つなげることができています。
ロボットとの接続部分もフランジ形状などが一体化できたことで大幅に部品を削減できています。
ガイドとして溝形状を作成することで、ビルドプレートをすくい上げる部品（紫色部品）の位置をあとから調整できるようにしました。
このように使用する中で調整が必要な部分や設計変更がない部分は一体化することを意識して設計することで3Dプリントの恩恵を最大限に活かしてください！
3Dプリントを使った部品設計では、部品点数を減らし、組み立てを簡素化することで、軽量で効率的な製品が作れるようになります。
部品を追加したい可能性や調整したい可能性がある部分については、アルミプレートを追加で固定できる形状を付けておくことで、上手に対応してください。
これらの点を参考にして、是非チャレンジしてみてください。
少しでも参考になったら嬉しいです。また次回の記事でお会いしましょう。
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