精度と安定性：FDR 3Dプリンティングで実現する次世代電気コネクター

"人間はモデルを必要としています。迅速に開発を進めるには、産業用3Dプリンティングは欠かせません。私たちにとっては、まさに主力となる技術です。通常の選択的レーザー焼結(SLS)も既に高い評価をしていましたが、FDRはその精巧さ、精度、そしてスピードの面で、さらに一段上のレベルへと引き上げてくれました。."

オラフ・ゾシュケ｜WAGO GmbH & Co.KG

課題

2本の導線を接続することは、一見簡単に思えますが、実際には技術革新、機能性、安全性、品質のすべてにおいて高い水準が求められます。電気が流れるところには、当然ながら厳格な規制が適用されます。接続部は、実用面・技術面・法的観点のいずれにおいても、安全要件を満たさなければなりません。WAGO GmbH & Co.KGの試作品製造責任者であるOlaf Zoschke氏は、次のように説明します。「ケーブルは、負荷がかかった状態でも接点から抜け落ちてはなりません。また、接触部の形状や仕上がりも十分な品質を備えている必要があります。これが保証されていなければ、人身事故や物的損害につながる恐れがあります。」Zoschke氏はWAGOの試作部門を率いており、7名のチームとともに設計試作や機能試作、さらには各種試験用サンプルの製作を担当しています。これらは社内外のラボで機能試験と安全試験に合格しなければなりません。新製品はそのすべての検証をクリアするまで市場に投入されることはありません。

そのため、WAGOおよび市場パートナーが開発する製品に対しては、広範かつ頻繁に安全性試験が実施されています。克服すべき課題も少なくありません。住宅の配電設備や鉄道車両の制御盤など、配電スペースは年々限られてきています。同時に、製品開発・試験・市場投入にかけられる時間はますます短縮されています。Zoschke氏は次のように述べています。「スピードを実現するには、アディティブ・マニュファクチャリングは欠かせません。さらに、試作品は最終的なシリーズ製品にできるだけ近いものである必要があります。なぜなら、試験エンジニアだけでなく、専門小売店やその他のバイヤーにも納得してもらわなければならないからです。」

設置スペースを出来る限り抑えた新型ジャンクションボックスの開発において、特に難題となったのはケーブルのストレインリリーフ(引張緩和機構)の設計です。導体をソケットに挿入すると、確実に所定の位置で固定されなければなりません。これはクランプ機構によって実現され、かみ合う歯車構造によってロックされます。導体にかかる引張力は、その被膜部分で確実に受け止められなければならず、接点そのものに負荷がかかってはなりません。
さらに、限られたスペース要件を満たすため、固定用ロック機構部に設けられた歯車構造も可能な限り小型化する必要があります。同時に、関連する安全規格に適合するためには、高い強度と安定性も求められます。量産であれば、従来工法のコストを大量生産によって分散できるため、こうした要求仕様にも対応可能です。しかし、試作段階ではどうでしょうか？

ソリューション

「開発の過程では、初期の試験や最適化に合わせて部品を改良していくのが当然です。この点において、AMには大きな利点があります。ただし、機能試験やラボ試験のためには、一定のロット数を確保する必要があります。具体的には10～50個程度で、当然ながらすべてが同一品質でなければなりません。例えば、微細な歯車形状に求められる精度は、最近まで実現できませんでした。FDRによって初めて、極めて精緻な部品を必要とする用途にも産業用３Dプリンティングの利点を活かせるようになりました。」とOlaf Zoschke氏は説明します。

FORMIGA P 110 FDRによる微細積層造形プロセスは、この用途の最適な選択肢です。部品が非常に小さいため、小型の造形チャンバーでも必要な数量を一度の造形で生産することが可能です。これにより、試作の他の部品との”タイミングの最適化”も実現できます。試作部品は、要件に応じて他のプロセスで製造されることもあり、その中にはより粗い造形に適した従来型の選択的レーザー焼結（SLS）も含まれます。Olaf Zoschke氏は次のように説明します。「例えば、大型の部品1には従来のSLSで充分ですが、小型の部品2にはFDRを使用しています。SLSはFDRよりも高速ですが部品サイズが小さいため、最終的な試作品はほぼ同じタイミングで入手できます」。

試作チームは、用途ごとにどの製造プロセスを採用するかを事前に決定します。プロセスや材料の選定は、後の使用目的を見据えたうえで、CAD設計の段階で行われます。最終的な判断基準は、求められる品質を必要な数量でいかに合理的に実現できるかという点です。こうしてOlaf Zoschke氏のチームは、各プロセスや材料の強みを的確に活かすことができます。「FDRは、精度、エッジのシャープさ、そして機能的な統合のばらんすがとれた最適解です。材料としてはPA1101が非常に適しています。より高精度な試作方法も存在しますが、たとえば機能統合の面では不十分な場合があります。一方、標準的なSLSはより高速ですが、精度ではFDRに及びません」と試作品部門の責任者は付け加えています。

結果

このように、高解像度でバランスの取れた３Dプリンティングプロセスにより、目標は達成されました。WAGOは、歯車とプレートの試作を希望する納期内に、求められる公差と数量で無事に製造することができました。その結果、耐久性の面でも量産品に劣らない部品が完成しました。製造から後処理までにかかった時間はわずか約2日間で、他の方法では1～2週間を要します。なお、後処理についても特筆すべき点があります。FDRによる高解像度の積層造形プロセスにより、部品に対する追加工は最小限で済みました。

Olaf Zoschke氏は次のように述べています。「FDRが導入される前から、EOS製品は常に高い品質を提供してくれました。後処理を施すことで、これまでも優れた結果を得てきましたが、FDRによって、その品質はさらに向上しました。試作段階であっても、最終的な量産品の約80％に相当する品質を実現しています。この成果は当社の製品開発担当者からも高い評価を得ています。」また、SLSにおける高解像度技術が優れているもう一つの理由は、後処理との相性にあります。従来のプロセスでは、表面の凹凸を化学的に平滑化が可能ですが、その結果、わずかな歪みが生じ、FDRによる造形ほどの精度は得られません。

このようにして、WAGOの部品は試験用サンプルとして必要な製品特性を備えることができました。繊細な固定用の爪と歯部は、求められる強度を確保しています。同時に、高い品質で製造されているため、確実にかみ合い、堅牢に固定されます。このロック機構により、導体に必要な保持力が生み出されます。さらに、社内外で実施された複数の試験によって、積層造形部品が試作段階で充分な耐久性を示せば、量産においても同様に耐久性を発揮することが確認されています。こうして革新的なFDRプロセスは、完全な機能統合を実現しながら、産業用3Dプリンティングの精度と生産速度をさらに向上させるという約束を果たしました。

「FDRが導入される前から、EOS製品は常に高い品質を提供してくれました。後処理を施すことで、これまでも優れた結果を得てきました。FDRによって、その品質はさらに向上しました。試作段階でも、最終的な量産品の約80％に相当する品質を実現しています。この成果は当社の製品開発担当者からも高い評価を得ています。」

オラフ・ゾシュケ｜WAGO GmbH & Co.KG