3Dプリンターでの治具製作

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3Dプリンターで治具製作が増えている背景

近年、製造業においてはさまざまな種類の製品を少量ずつ作る「多品種小ロット化」が求められています。その理由としては、顧客ニーズの多様化によって製品のライフサイクルが短くなっている、という点が挙げられます。このような状況に対応するため、多品種小ロット化が求められている、というわけです。

この多品種小ロット化生産を行うにあたっては、さまざまな資材や原料を少しずつ仕入れる必要があるためコストが高くなりやすい、生産効率が悪いなどの課題があります。このような背景から、3Dプリンターを活用して治具製作を行うケースが増えてきています。

3Dプリンターで治具製作を行うメリット

製作期間の削減が可能

製造現場において、新しい治具を使用する場合には試運転と評価を行います。例えば試運転の段階で改善すべき点が見つかった場合でも、3Dデータを修正することによってすぐに治具を再度製作できます。また、もし日本で設計を行い海外で製造するといった場合でも、治具の設計データを送信するのみで現場で製作が行えるといった点も製作期間の短縮につながる理由といえるでしょう。

より良い形を持つ治具へと改善できる

例えば治具の軽量化を行ったり、持ちやすい形状のアイディアをすぐに形にできるなど、「付加価値」を持つ治具の製作ができるといった点も3Dプリンターを使用するメリットです。軽い治具の製作ができれば作業者の負担が軽減できることから、ミスなどの防止にもつながるといった面もあります。

3Dプリンターで治具を作る手順

3Dプリンターで治具を作成する場合、下記のような流れとなります（下記は流れの一例です）。

• 1.現場調査・ニーズの確認
• 2.治具の設計
• 3.3D図面の作成
• 4.治具の作成
• 5.製造試運転
• 6.改善点がある場合には修正を行う
• 7.製品製造開始

3Dプリンターで治具を製作する場合、製作して試運転を行った際に不具合が見つかった場合でも、3Dの図面を修正して製品をすぐに製作することが可能となります。このような面から、3Dプリンターで治具を作成すると、完了するまでの時間を短縮できるといった面があります。

3Dプリンターで治具製作を行った活用事例

以前は簡単な治具の製作においても金型を使用していたことなどから、設計や変更には1ヶ月ほどかかっていたケースにおいて、3Dプリンターを導入することによって治具の製作期間が1週間へと短縮できた、という事例があります。このように、治具の製作期間を短縮できるため、そのほかの製造や組み立ての工程についてもスピードアップが可能であると考えられます。

3Dプリンターで治具製作する際によくある質問

治具の製作期間はどれくらいかかりますか？

3Dプリンターで治具を製作する際にかかる時間は、「最短で1日」となります。従来行われてきた機械加工による治具製作より大幅に時間の短縮が可能である点が、3Dプリンターを使用する大きなメリットといえます。

どのような素材を使用できますか？

現在、3Dプリンターを使用して造形物を製作する際には主に樹脂が用いられていますが、金属材料などほかの素材を用いて造形が可能な3Dプリンターもあります。例えば造形物に強度が欲しいといった要望がある場合など、それぞれの目的によって使い分けを行うと良いでしょう。

よくある質問

Q1 多品種小ロットの現場で、3Dプリント治具が役立つのはどんな場面ですか？

A

製品ごとに位置決めや保持形状を変える必要があり、治具の外注待ちが工程を止める場面に向きます。位置決めの基準が製品ごとに変わる現場なら、設計データを直して次の治具を作れます。一方、高温や大荷重の箇所は金属部品を残す方法もあります。ただし、すべての金属治具を樹脂へ置き換えられるわけではありません。

交換頻度、荷重、温度を確認し、変更が多い治具から試すと効果を見極められます。

Q2 治具を3Dプリントすると、軽量化以外に何を改善できますか？

A

ワークに合わせた持ち手、位置決め、誤組み付けを防ぐ形状を一体で設計できます。例えば持ち手と製品に触れる当て面を別々に調整できます。作業者の疲労やワークの傷も測れば、単価以外の改善を説明できます。樹脂化でワークを傷つけにくくなる場合もありますが、接触面の材質と摩耗は確認が必要です。

作業者に使ってもらい、作業時間、取り付けミス、交換頻度を測ると改善効果が分かります。

Q3 現場用治具は、どの順序で設計・造形・評価しますか？

A

まずワークと作業手順を確認し、保持力と許容寸法を決めます。位置決めの試作で合っていても、実作業の繰り返しで穴が広がる場合があります。必要な使用回数を決め、摩耗後も許容寸法を守れるか見ます。次に小さな試作で位置決めを確かめ、材料と造形方向を選んで実寸の治具を作ります。現場で繰り返し使い、摩耗や変形、締結部の緩みを確認してから運用条件を固定します。

Q4 従来工法の治具と比べ、納期をどのように測ればよいですか？

A

外注の発注から現場投入までと、3Dプリントの設計・造形・後処理・評価までを同じ起点で比べます。特急外注と通常外注でも基準時間が異なります。どの発注方法との比較かを明記し、形状修正が入った二回目の製作時間も記録します。初回はデータ作成に時間がかかっても、形状変更の二回目以降に効果が出る場合があります。

製作日数だけでなく、現場で使える品質になるまでの時間で比較してください。

Q5 治具は最短何時間で使えるようになりますか？

A

一定の最短時間は示せません。造形が終わってもサポート除去や寸法確認を飛ばせません。緊急時の暫定治具として使うなら、使用回数と交換時期も決めておきます。治具の寸法、方式、材料、後処理、現場での確認内容によって変わります。

急ぐ場合は保持箇所だけの小さな試作を先に作り、組み付けを確認してから本体を造形します。見積もりは造形完了時刻ではなく、評価して現場へ渡せる時刻で行ってください。

Q6 荷重がかかる治具には、どの材料を選べばよいですか？

A

樹脂や繊維強化材が候補になりますが、材料名だけで耐荷重は判断できません。材料カタログの引張強さだけでは、現場での締め付けや衝撃を表せません。実際の固定方法で複数回着脱し、変形した箇所を確認します。荷重の向き、繰り返し回数、温度、締結部の構造を決め、造形方向と肉厚を合わせて設計します。

代表治具で荷重と脱着を試し、摩耗しやすい箇所は金属部品の併用も検討します。