Photocentric社　3Dプリンター使用事例集

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フェイスシールドの エグゼクティブサマリー 3Dプリント 2020年前半にパンデミックが拡大し始めていたとき、Photocentricでは45台のLC Magna３Dプリンター（24インチ 4K液 10週間で月間３Dプリント品数を 晶ディスプレイ搭載）を使用し、フェイスシールド・セパレーターを１ヶ月で100万個を生産しました。これは1日に5万 個生産し、樹脂を毎日700 kg 使用したことになります。 0から100万個にスケールアップし、 射出成形と比較した研究 同時に、金型の製作も並行して行いました。それは数量を増やした時の「性能」「市場t投入io時間n」「コスト」の違いを検証するためでした。 今回の研究では、フェイスシールド構成部品の製造に焦点を当てました。LC Magrnaを用いた3Dプリント工程を、最初は FDM方式と比較しました。LC Magnaを使用すると、類似した大判FoDM 3Dプリoンターと比較して、1台あたりの生産高がおよそ２乗になることが示されました。 rp また、射出成形と比べたときはLCD 3Dプリンターの最大の利 点Cは「時間」だということがわかりました。LC Magnaでは 市場ニーズを数日で満たすことができた反面、金型iのn製作gには156日かかりました。 市場投入時間の短縮は、すべてのビジネスで価値tが大きいことですが、パンデミック時にPPE（個人用保護具）を供給す るにあたっては極めて重要です。 当社の生産では、成形品コスDトの償 P rin 3 却曲線は、32万個時点で3Dプリント品の平坦線と交差しました。金型の費用は83,000 ポンドでした。またy同 金型による成形品1個のコストは5.8ペンスでした。3Dプリント品1個のコストは32ペンスでした。コストを比d較し bたときに交点の位置を左右するのは、3Dプリント樹脂の価格です。3Dプリンター界に参入する化学メーカーが割安な樹脂の提供し、他社製の素材に対応した3Dプリンターが増えることにより、素材の低価格化は加速し、3Dプ wリンeタrー eの用途が広がることが予想されます。樹脂価格が決定的な要因となり、3Dプリントはいずれ射出成形の有効な代 o 替手段となるでしょう。 p 部品性能に関しては、３Dプリントと射出成形の結果は同等でした。両プロセス共に、初期デザインに修正を加えて、そ れぞれの製造工程のために設計最適化を行いました。

フェイスシールドの 3Dプリント きっかけ 2020年春にコロナ危機が英国を襲うと、PPE（個人保護具）が大量に不足するこ on とが明らかになりました。「中国からの輸出規制」「英国 rati 内での需要増加」が原因でした。FDM 3Dプリンターは即効性のある解決策とし o て注目され、Prusa社などの企業がFDM 3Dプリンター用の設計をオープンソース rp で公開しました（図１、左上の画像）。 Co イギリスでは数百人のSlackユーザーが集まり、各々のFDM 3Dプリンターを使用 g してフェイスシールドを1日に最大500個を生産することに成功しました。個人宅 in でフェイスシールドの組み立てが行われていました。しかし、これは管理不能で t あり、生産を拡張しにくい方法でした。 rin 個人の集合でこのようにPPEを３Dプリントすることはその後、英国政府が禁止 P しました。 3D こうした状況で、Photocentricでは、生産拡張が可能なフェイスシールドを設計by し、大量生産することを目指しました。また同時に、「手頃価格」「製r造のd一 貫性」「最適な性能」を提供することを目標にしました。 e e https://www.prusa3d.com/covid19/ pow

フェイスシールドの 3Dプリント 3Dプリントのための設計プロセス1/2 n 2020年3月25日、3Dエンジニアのエド・バーロウが、当社初のフェイスシールドを io CADで設計しました。設計を3Dプリントしてから、レーザーでカットしたポリエス at テルシートを貼り付け、ゴム帯を付けました。こうして設計からわずか数時間以内 or に、当社初のフェイスシールドを装着しました。ここから、製品最適化への道が始ま rp りました。 o LC Magnaのプラットフォーム上に、フェイスシールド・セパレーターを110個配置し g C ました。FDM方式の4個と比較してみてください。セパレーターとは、フェイスシー n ルドのバイザーを顔から離すための部品です。 inti 私たちはオフィス内でシールドを装着し、それぞれ個人の経験から性能を最適化する r ことに着手しました。「快適な装着感」「顔の側面まで覆うシールドの曲率」に特に P 注目しました。医療現場からのフィードバックも得て改良を重ねました。 3D 図１：フェイスシールド・セパレーターの設計反復。左上から右下まで時系列順。 その結果、英国政府が新たに発行したPPE規格に特例的に適合。のちには、目の保護y に関する規格に完全に適合しました。 ed b 3Dプリントのための設計（DfAM: Design for Additive Manufacturineg）rでは、素材使 用を最小限に抑えながら、最適な性能をユーザーに届け、p最o適なwプリント性能を達成 1 https://www.prusa3d.com/covid19/ することが目的です。 2 COVID-19 個人用保護具の新たな大量生産者向けガイダンス 3 構造の強固さを保ちながら少量素材で造形できる「オープン構造」を最初に設計しま BS EN 166:2002 した。オープン構造で、造形は非常に速くなりましたが、性能上の問題が一つありま した。それは、開いた構造の間から水滴が顔の前に落ちてくることでした。これが理 由でその後、穴を塞いだ設計に変更されました。

フェイスシールドの 3Dプリント 2/2 造形の最中における、部品の重心の相対移動を評価しました。部品の方向を異なる角 度にして、形状を調整することで、各層の重心を同じ垂直線上に維持することができ ました。こうして、造形中に部品が横方向（BY平面）の力を受けることを防ぎまし n た。外部サポートの必要性もなくなり、造形不良の原因が大幅に減少しました。 atio セパレーターとプラットフォームを接着させる、最初に造形される層は、きれいに剥 r がれるように設計しました。プラットフォームは完全にきれいに保たれ、残骸は残り po ませんでした。 or また機能を持たないサポートを取り除くことで、プロセスの効率が大幅に向上しまし 1個あたnり2g0分 C 1個あたり20分 た。ベース部のサポートはPETシールド固定用クリップとして新たに役割を与え、設計 上の反対側さにあたる造形品上部でもこの形状を再現しました。これは、サポートが 設計の機能的な側面になるよい例です。 rinti 結果として、フェイスシールド・セパレーターのピンは3本から5本に増えました。そ P れによりバイザーの湾曲が大きくなり、顔の側面に対する保護性能が向上しました。 3D プラットフォームあたりの部品数は、部品を90度回転させることで増加しました。y各 プラットフォームに210個乗せることができ、それぞれが1分以内に造形r可e能dに な bりま した（図2参照）。 e FDM方式での8時間、LC Magnaの元々の造形時間だった20分とw比較してみてくださ 1個あたり2分20秒 1個あたり57秒 い。3Dプリントのための設計（DfAM）が、造形速度におpよそo２乗の改善をもたらした わけです。高品質な製品を生み出し、拡張可能な方法で生産するという、二つのこと を達成できました。 図2：フェイスシールド・セパレーターの設計反復。左上から右下まで時系列順。 最初の2ヶ月では懸命に取り組み、フェイスシールドを20万枚製造しました。多くの手 作業も必要でした。しかし翌月には、生産向け環境で100万個の部品を生産することが できました。

フェイスシールドの 3Dプリント プロセスの最適化 プリントの範疇を超えた最適化 n フォトポリマーの最適化 atio 樹脂は常に、特定な用途のために最適化されるべきです。当社の化学者は、フェイ r スシールド・セパレーター向けに、より優れた樹脂を開発しました。樹脂には、以 po 下の特性が望まれていました： 低価格 or 低刺激性（ポストキュア後の細胞毒性試験に合格しました） C 作業者の快適さを考慮した低臭気性 ng 高速造形を可能にする、高いグリーン強度 ti 通常の圧力で折れない、硬化後の強度 Prin高速造形向けの低い粘着性 洗浄の容易さ ポストキュア後の反硬化乾燥時間が短い きれいな外観 by 3D ered pow 図3：セパレーターの進入方向に関係なく、向きを反転させるフリッパー。LC Magnaで造形。

フェイスシールドの 3Dプリント ソフトウェアの最適化 当社のソフトウェアチームが、3Dプリンターファーム*を管 n 理するソフトウェアシステムを開発しました。品質管理のた ratioめのバッチ追跡と、性能・管理データの取得が目的でした （図４）。 po 印刷したQRコードを各プラットフォームに貼り付けて、生産 r プロセスの各段階でスキャンする方法を使用しました。どの o 3Dプリンターにも収まるプラットフォームであったため、プ ロセス開始時にプラットフォーム、３Dプリンターの両方を inting C スキャンする必要がありました。 次に、ファイルを3Dプリンターに読み込みませました。そし r て、造形完了後にはプラットフォームを再びスキャン。「洗 P 浄」「ポストキュア」「部品の取り外し」の全プロセスの開 D 始前後にも、スキャンを行いました。 y 3 セパレーター210個を取り外してスキャンする、最終的な品 d b 質検査では、1個のセパレーターが樹脂バッチ、プリント re ファイル、プラットフォーム、オペレーターと紐付けするこowe図4：45台の3Dプリンターの進 図5：生産データを集めることで「生産管理」「部品のトレーサビリティ」を実現。 とができました。生産に伴う廃棄物量も、これによって把p握 行状況が表示された画面。オ ペレーターは次に実行すべき されます。 アクションを把握することが できます。 ＊3Dプリンターファーム： 3Dプリンターを複数並べて部品を量産する設備。

フェイスシールドの 3Dプリント 製造現場レイアウトの最適化 英国ピーターバラにある自社ビルの倉庫一室を一掃し（図6）、電 源、照明、排水、抽気装置、水道、ベンチを設置しました。梱包シス n テム、標準作業手順書、後処理機のデザインを行い、部屋に配置する tio IC Magna 3DプリンターDp台を準備しました。 ora マッキンゼー社は訪問の際、「驚くべきことです ― 私たちが見た中 p で唯一比較し得るのは、軍事キャンプの建設です」と語っていまし or た。 C 製造現場レイアウトはCADで考案されました（図7）。液状樹脂から ng 製品まで（図8）の流れを整え、隣の容器室の中型容器（1トン）から ti 樹脂が３Dプリンターに供給されました。造形された部品は「洗浄」 in 「後処理」「品質検査」を経て、フェイスシールドを組み立て出荷す r る段階に到達します。 D P red by 3 powe 図6：倉庫を一掃し、LC Magna 3Dプリンターを並べて設置。赤い照明のもと稼働しています。

フェイスシールドの 3Dプリント tion ワークフロー図 orpora ng Ci Print d by 3D ere pow 図7：部品フローのレイアウトを最適化 図8：ワークフローの概略図

タイムライン フェイスシールド tion pora ng Cor i / / / rint / / / 倉庫室を一掃し、フルリフォームの準 Magna生産ラインの生産能力を向上。 水道、照明、抽出、圧縮空気、排水Pを 新しい3Dプリンターファームの管理ソ フェイスシールドの最初の出荷 備を整える。ユーティリティ、生産レ 1日に3台プリンターを製造。隣室に運ん 設置。 イアウト、素材のフローをデザイン。 で直ちに稼働開始。 y 3D フトウェアをわずか2週間で社内開発。 週内には、さらに12台のMagnaが稼働 ed b 開始。 er pow

タイムライン フェイスシールド ion orporat ng C / rinti 技術エリアのパイロット製造ラインを閉 梱包作業。カンバンと標準作業手順書 設計を最適化し、プラットDフォー P社内の化学者が、フェイスシールド用に 原材料を各プラットフォームまで追跡 鎖し、生産を新施設に移す。 を作成。 ムあたりの部品数を100個から 最適化された新配合を、記録的なスピー するQRコード・ソフトウェアをわず Magnaをさらに14台、3Dプリンター 210個に増加。y 3 ドで開発。これによりグリーン強度、造 か3週間で開発。プロセスの各段階を ファームに追加。 b 形速度が向上し、後処理時間が短縮され 追跡するためのスキャナーを設置。 ました。 wered po

タイムライン フェイスシールド tion orpora g C rintin / 新たに8台のMagnaを内製し、3D ダブルクリップを使い、QRシステム フェイスシールド工程での搬送のた 社D内の化 学P者が、フェイスシールド用 原材料を各プラットフォームまで追跡 初めてフル操業を行い、フェイス プリンターファームに追加。台数 を実際の生産で初めて試行。 めにコンベアを導入。 3に最適化された新配合を記録的スピー するQRコード・ソフトウェアをわず シールドを1日に61,300個生産する は26台から34台に。 y ドで開発。梱包作業者がシステムを通 か3週間で開発。プロセスの各段階を 記録を達成。 b して部品の流れを見やすくするよう、 追跡するためのスキャナーを設置。 液晶画面を改善。最終的な品質検査と 梱包のために箱を部屋反対側に搬送す owered るシュートを追加。 p

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プロファイル 造形時間 造形品高さ rati9o1 分 n15.8 cm (6.25 インチ) 世界最大級のLCD 3Dプリンター 造形品重o量 14 g 「カスタム量産」「大型品の造形」を可能に。3.8インチ液 造形p品数 / 1回 210 晶画面、造形容積510x280x350 mmを有するLC Magnaは、 or造形品総重量 / 1回 2.94 kg 歯科医療から工業製品の設計・製造まで幅広い用途に対 プリント回数 / 1日 13 (24時間内 / 20分の 応。非常に大型の品もさることながら、驚くほど精細な小 C 切替時間） 型品も造形します。従来の製造法では不可能だった結果を g 実現する装置です。 intin 造形品数 / 1日 2,729 個 r 造形量 1時間あたり1.6 kg D P ed by 3 技術仕様 ower p 造形容積 13.3 mm/時間、 23.8インチ 硬化速度 ピクセルサイズ 510 x 280 x 350 100 μm造形速度 3840 x 2160ピクセル 100 μm、 3～8 秒 / 層 137 μm 4K画面 *樹脂により異なります XYピクセルサイズ

n atio orpor inting C Pr by 3D d 射出成形 erew 金型プロセス po

射出成形金型プロセス ３Dプリンターによる量産体制の確立後、比較を行うた め、射出成形による生産の代替案を立てました（図9）。 n リードタイムと部品コストのバランスを考慮し、金型の最 io 適な取り個数を選ぶ必要がありました。また、金型製作の at プロセスでは、３Dプリンターで既に同じ部品を試作して or いたことが有利な点でした。 Corp ing Print D red by 3 powe 図9：金型の設計、動作中の金型、個別の金型のクローズアップ

射出成形金型プロセス ３Dプリント品を成形用に再設計 on 再設計においては、以下のような多数の小さな変 ti 更が必要でした。 pora f 抜き勾配を考慮し、刻印部分を曲面側から上面 or に移動。刻印文字は凸文字に。 C f 肉薄部分の厚みを0.75mmから1mmに増加 g f サイクル時間短縮のために、肉厚部分は下側か in らくり抜いた形状に。 nt f 中央のパーティングラインを起点とした抜き勾 ri 配を追加 P f ホットチップのためのフィード・ディンプルを 追加 by 3D f 鋭いエッジを一通り丸める ed power