3Dプリントで各種治工具を内製するには

技術資料 3Dプリントで各種治工具を内製 するには メーカーにとって、生産スピードの最大化と生産品の品質を両立させることは何よりも重要です。本技術 資料では、効果的な治具を内製するためのポイントを解説します。3Dプリントを活用することで工程を短 縮、あるいはコストを削減し、設計者から製造現場の技術者に至るまで、より効率的な製造工程を実現 する方法に重点を置いています。 2023年3月

目次 はじめに . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 3Dプリント製治具で生産効率を向上 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 樹脂3Dプリント品は従来の金属品に置き換えられる？ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 治具の種類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 よくある治具の種類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 ワーク保持用治具：固定用治具、ソフトジョーなど . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 位置決め用治具：位置決めピン、ロケーターなど . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 保護用治具：キャップ、カバー、塗装用マスクなど . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 計測器：ゲージ、検査治具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 機械部材：グリッパ、コネクタ、ブラケットなど . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 オーガーナイザー、その他 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3Dプリントによる治具製作の作業手順 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 設計ガイドライン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 設計の基礎：自由度と拘束 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 設計のベストプラクティス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3Dプリントのガイドライン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 SLA光造形プリントによる治具製作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 SLSプリントによる治具製作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 適切な3Dプリント方式の選定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 作業手順におけるベストプラクティス . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 ケーススタディ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 生産検証試験（PVT） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 材料加工 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 成形機：熱成形機用のインペラ交換部品 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 成形機：真空成形機用のクランプ治具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 加工機：穴あけ用治具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 加工機：自動旋盤用のカスタム治具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 加工機：CNCルータ用位置決めピン . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 ロボットEOATグリッパ交換部品、溶接用ブラケット、回転ローラー . . . . . 26 設備機器の標準部品を改良して交換 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 2

組立工程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 組立用位置決め治具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3Dプリント製のノブで組立治具を改良 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 製造現場でのタブレットの設置用ホルダ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 自動組立機用のブラケット、グリッパ、リフト . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 仕上げ工程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 マスキングテープ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 検査工程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 検査治具 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 試験機用ブラケット . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 まとめ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 3

はじめに 3Dプリント製治具で生産効率を向上 治工具類は、各種検証試験から製造、設備保全に至るまで、製造工程のあらゆる場面で補助的に、ある いは効率化のために使われるもの全般を指します。治工具類は製造や組立工程を、よりシンプルで安 定したものとし、作業時間の短縮や作業者の安全性向上、製造コストの削減など様々な目的のために 自社内で使用するものです。治具の種類はワークを保持するものからガイド治具、固定用治具、位置決 めピン、マスキング治具など非常に多岐にわたり、製造プロセスを合理化し、製造現場の課題に対処す るためには欠かせないものです。 通常、メーカーがこうした治具を作る時には内製または外注で、金属（時にはPOM、またはデルリンなど の樹脂を使用するケースも）を切削して作る方法が一般的ですが、切削加工には、CAMの設定と加工機 の設備やオペレータの人件費が必要となります。また、多くの治具は複数の部品で構成される複雑な構 造になっているため、加工もその分難しくなってしまいます。外注の場合は何週間もの製作期間と高額 なコストが必要となるため、必要な治具をカスタムで、かつ短期間で製作することは難しくなってしまい ます。しかし、治具にかかる負荷の強さによっては、必ずしも金属製でなくても良いケースも存在します。 3Dプリントとしても知られるアディティブマニュファクチャリング（AM）は、こうした治具を内製で高速か つ低コストで製作できるソリューションです。金型を起こすことなく製作できるため、スピードやコスト、 設計の自由度、豊富な材料、柔軟性など様々なメリットがあります。 製作期間 3Dプリントは、治具をその場に必要な形状ですぐに製作できるため、外注時で数週間を要する製作期 間も数日以内に抑えることができ、製造現場で常日頃から発生する様々な課題も解決できます。 外部委託業者 ニーズ 治具 DFM（Design For ユニット 具体的な 設計された Manufacturability／ 見積請求 ユニット ユニット 治具 注文された 製造容易性設計） 注文された 発送された 実装された 多くの企業での従来型の治具製作方法。治具が完成した後に問題が発覚した場合、従来はその治具を作り直 すか補修を行う必要がありましたが。 具体的なニーズ 設計された治具 生産台数 実装された治具 アディティブマニュファクチャリングで製作する治具の場合は、その対処も即座に行えます。製造性考慮設計 と呼ばれるいわゆるDFMがほぼ必要ないケースが多く、内製で製作が行えるため見積りや完成後の輸送機 関も不要となります。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 4

コスト 3Dプリントを導入したメーカーでは、材料や人件費、設備のコストも削減できます。デスクトップやベン チトップの3Dプリンタを使えば、CNCなどの装置や保守管理に費やしてきた時間を他の付加価値の高 い業務に使えるようになります。 Pankl Racing Systemsの治具製作にかかるコストを比較した場合、3Dプリントによる内製は外注での加工の 1/48の時間と1/12のコストで製作できています。 カスタム治具 3Dプリント製 CNCで加工した 製作期間 5～9時間 2～3週間 コスト 約1,250～3,900円 約6,260～47,300円 設計の自由度 3Dプリントでの治具製作では、製造面の制約を考慮せずにデザインが行え、特定の作業に特化したカ スタム治具が簡単に製作できるだけでなく、複雑な形状でも追加工コストなしで製作できます。 近年ではCADソフトなどの高度化により、そのまま使用できる造形品もデザインできるようになってい ます。一方で、設計の自由度が向上するということは形状が複雑化することも意味し、製作の難易度が 上がってしまうという側面もありました。例えば万力やクランプなど、従来ワークを保持するのに用い られてきたツールは、不規則な形状や微細なワークには使用できません。しかし3Dプリント品の治具 であれば、切削のような加工機やカットパスの設計、刃の摩耗などを考慮せずに保持用治具を製作す ることができます。3Dプリントであれば、人間工学に基づく形状やラティス（格子）構造、または繊細な 構造を駆使することで、他の工法では実現が難しい形状も実現できます。 さらに、3Dプリント用の自由な設計により、CADモデルの簡素化、必要な部品点数の削減、治具や金型 のアセンブリも削減することができます。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 5

幅広い材料の選択肢 3Dプリントでの治具製作では従来品の金属製治具を、軽量なエルゴノミクスデザインの樹脂製治具に 置き換えることができます。また、3Dプリント材料には非常に幅広い選択肢があり、様々な用途にご活 用いただけます。 デザイン調整も柔軟に 内製での3Dプリントであれば、治具の製作、改良、そして試作と検証の反復が柔軟に行え、高い品質の 治具を微調整しながら迅速に製作することも可能です。 • 簡単に治具の形状を調整し、複数のバリエーションが製作できる • 変化に応じてすぐに治具を作り直し、予備や交換部品、暫定部品を 必要な時に必要なだけ製作し、ダウンタイムを最小化できる • 製造現場での量産準備を物理からデジタルに移行することで、継続的な改善を行うことができる。 樹脂3Dプリント品は従来の金属品に置き換えられる？ 何十年もの間、3Dプリントは試作品製作や製品開発などで活用されてきました。そして技術が成熟す るに伴い、製造分野でも幅広く使用されるようになってきています。近年の装置や材料、ソフトウェアの 発展により、金属部品に代わる、あるいは最終部品としての使用にも耐えられる機能部品を高精度で 3Dプリントできるようになりました。既に様々な企業が、3Dプリントの柔軟性を活かして治具や樹脂型 を高速で製作するラピッドツーリングと呼ばれる手法を取り入れています。金属製の金型の代わりに 光造形3Dプリントで製作した樹脂型を使用する方法の詳細は、Formlabsの技術資料をご覧ください。 FormlabsのRigid 10Kレジンで造形した射出成形用金型の入れ子。Babyplastの成形機に設置してPPやABS などで数百点単位の量産を行う（左）。Marcus Marienfeld AGは、眼鏡フレームの曲げ加工に使用するプレス 機用の型をFormlabsのSLSプリンタ Fuse 1のNylon 11パウダーで製作している（右）。 こうしたイノベーションは、治具や金型製作だけに留まりません。Formlabsの3Dプリンタユーザーは、 光造形やSLS方式の3Dプリンタで最終部品の製造も行っており、カスタム品や小ロット品の量産を実 現している企業もあります。SLS方式でのプリント品のパフォ―マンスについては、Formlabsユーザー 様が実施したストレス試験の結果をご覧ください。航空宇宙業界のサプライヤーが行った航空機内装 部品のカスタムプリントや、過酷な環境下で15年に渡って3Dプリント品を検証する水深測定端末メー カーなど、様々な事例がご確認いただけます。世界中のメーカーが、自動のマシニング作業、組立ライ ン、成形型、鋳造作業場などの製造現場で金属品からの置き換えや設備故障時の補修部品などに樹 脂3Dプリント品を採用しています。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 6

本技術資料では、治具の設計の基本概念を説明し、光造形（SLA）および粉末焼結積層造形（SLS）方式 3Dプリントとその材料の利点を生かし、大幅な効率化を実現する方法を工程のステップごとに考察し ます。最後に、本書では検証、製造、仕上げ、組立、そして検査の各工程における3Dプリント製治具の活 用事例をケーススタディとして掲載しています。 A&M Tool and Designの工房には、Bridgeportの加工機からデスクトップの光造形3Dプリンタまで幅広い設 備が揃っている。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 7

治具の種類 よくある治具の種類 ワーク保持用治具：固定用治具、 ソフトジョーなど ワーク保持用の治具は、切削や溶接、組立 など、様々な工程でワークの固定や保持に 使用されます。このワーク保持用の治具は、 単に治具と呼ばれることが多く、ワークの 形状にぴったり合うようカスタムで製作さ れるのが一般的です。 治具やガイドがワークを固定しながら工程 内で必要な動きを正確に誘導する一方で、 固定用治具はワークの固定のみに用いら れます。固定用治具の代表的なものには、 ソフトジョーやクランプ、万力、チャック、 クランクシャフトなどがあります。 位置決め用治具：位置決めピン、 ロケーターなど 位置決めピンやロケーター、ロケーターピ ンなどの位置決め用治具は、ワークを所定 の位置に配置する際に用いられます。位置 決め用治具は、正確な作業を繰り返し行え るよう用いられます。 保護用治具：キャップ、カバー、 塗装用マスクなど ガード、キャップ、カバー、塗装用マスクな どは、作業時にワークを保護するために用 いられます。また、キャップは穴あけ作業時 に不要な穴に不純物が侵入するのを防ぐ 等の目的でも使用され、塗装用マスクは、 ワークの塗装やコーティングを行う際に不 要な箇所に塗料やコーティング剤が付着す るのを防ぐものです。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 8

計測器：ゲージ、検査治具 計測器とは、ワークの物理的な量を検査するた めに使用されるものです。ちょっとした材料の小 片から複雑な機械まで、多くの種類があります。 中でもゲージは、寸法測定と公差の確認に最 もよく利用される計測器です。 Productive Plasticsが鍵穴の検査に使用する Fuse 1でプリントした検査用治具。 機械部材：グリッパ、コネクタ、 ブラケットなど スパイダーカップリングやローラー、コネクタ、 グリップ、ロボットのグリッパなどロボットアー ムエンドツール（EOAT／End Of Arm Tooling） に至るまで、製造設備で用いられる各種部材も 内製化のニーズは多いものです。そういった部 材は特定の作業を効率的に行う、設備の機能 を補う、または単に故障や不具合が出た部品 の代替品として用いられます。 Ashley Furnitureは、集じん装置の保持用リング の代替品をSLA光造形3Dプリントで造形。穴あけ 用のドリル機械で使用される。 オーガーナイザー、その他 オーガナイザーとは、ワークを所定の位置に 配置したり、現場の整理整頓に使う器具全般 を指します（ホルダー、ブラケット、マウント、 アダプタ等）。 静電気による損傷からシリコンチップを保護す るため、OpuloはESDレジンでチップトレイを プリント。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 9

3Dプリントによる治具製作の作業手順 1 . 設計 一般的な3Dプリント用の設計方法に沿ってCAD 上で治具を設計、あるいは3Dスキャナを用いて リバースエンジニアリングを行います。 2．3Dプリント 設計したモデルを造形準備用ソフトウェアで 開き、選定したプリンタと材料で造形します。 FormlabsのSLAおよびSLS方式プリンタについ ては、クイックスタートガイドをご参照ください。 3 . 後処理 材料要件に応じて造形品の後処理を行います。 Formlabsのガイドライン沿って光造形品は洗 浄と二次硬化を、SLS造形品はFuse Siftで粉 末除去を行います。 4 . 設置・実装 造形品を検証し、既設の設備や作業工程内の必 要箇所に取り付けます。CADファイルを保管し、 更新やバリエーションがあれば併せて管理して ください。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 10

設計ガイドライン 設計の基礎：自由度と拘束 治具の最も基本的な用途は、負荷に耐えつつワークを特定の位置で固定することです。この際、ワーク が公差を超えて変形、移動、回転しないことが重要です。こうした治具を製作するためには、まず自由 度について理解する必要があります。三次元における剛体の自由度は6です。上下、左右、前後に動くこ とが可能で、複数軸の各周囲を回転することができます。この回転は、それぞれピッチング、ヨーイング、 ローリングと呼ばれます。 三次元において剛体の自由度は6となる。 優れた治具設計の基本となるのは、この自由度を可能な限り抑え、正確な位置決めと二次加工にお ける安全を確保することです。また、自由度を過拘束しないことも重要です。過度に自由度を拘束して しまうと、必要以上の負荷がワークに伝わってしまったり、その治具全体に必要以上の寸法精度が必 要になってしまうためです。例えば、スツール（背面のない椅子）を例にご説明します。3本の脚がある スツールには、適度な拘束がかかっている状態です。最上部の座面に荷重をかけても、スツールは垂 直方向に動くことはありません。スツールは摩擦によって横方向に移動することが制限されると共に、 3本の脚が互いに拘束し合うことで個々の脚やスツール全体が回転しないようになっています。 • 適拘束とは、製造工程で求められる各自由度が単一の拘束を受けている状態を指す。 • 拘束の不足とは、物が1つ以上の方向または1つ以上の軸に沿って回転、移動、滑りを起こしてし まう状態を指す。固定用治具で制約の不足が発生した場合、その治具が意図した目的を果たせな い状態となり、作業者や設備機器に重大な危険をもたらす恐れがある。しかし用途によっては、 例えばプレーナーと呼ばれる”かんな”のような平削り盤に沿って動く板材のように、拘束不足の 状態が必要な作業もある。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 11

• ワークが十分に固定されていない場合、移動や回転を防ぐのに十分な拘束が得られても、 フライスや穴あけなど二次加工中に大きな歪みが発生するのを防ぐだけの十分な拘束がない。 • 過拘束の状態は、重複する拘束が存在する場合に発生。複数の力がまったく同じ仕事をしよう とすると、それらの力が衝突し、そのいずれかが必ず「勝ち」、その仕事をすることになる。負荷の 重複による最善のケースは問題が起こらないことだが、最悪のケースでは意図した機能を果た せず、作業完了時の品質低下や作業者のリスク増大を招いてしまう。 実際の現場では、多すぎるくらいの拘束が必要な場合もあります。4本の脚がある椅子が過拘束設計の 良い例になります。4本目の脚は、実は椅子にとっては過剰で、少しでも水平でない場所に置かれた際 にぐらついてしまうという問題があります。この場合は「水平な場所に置く」という条件の代わりに、3本 脚よりもはるかに高い安定性が得られます。これを製造の文脈に置き換えると、鋳物のようなばらつき の多い部品に対応するには拘束が少ない治具設計の方が有効であり、機械加工品や射出成形品のよ うな精密な表面を持つ部品には、よりタイトな治具設計が有効ということになります。 近年ではCADソフトなどの高度化により、そのまま使用できる造形品もデザインできるようになってい ます。一方で、設計の自由度が向上するということは形状が複雑化することも意味し、製作の難易度 が上がってしまうという側面もありました。例えば万力やクランプなど、従来ワークを保持するのに用 いられてきたツールは、不規則な形状や微細なワークには使用できません。しかし3Dプリント品の治 具であれば、切削のような加工機やカットパスの設計、刃の摩耗などを考慮せずに保持用治具を製作 することができます。 設計のベストプラクティス 複雑化する一方の構造に対応 3Dプリントでは複雑な形状も追加工のコストなしで製作できるため、設計段階でその治具にどのよう な機能を持たせるのが最善か、時間をかけて検討されることをおすすめします。 • 切削が難しい小型品や表面がアール形状だったり複雑な形状、ツールのクリアランスの問題でフ ライスや穴あけ加工が不可能と思われる形状なども、アディティブマニュファクチャリングであれ ば実現できる可能性がある。 • シリアルナンバーや製造年月日、その他関連する情報をデータ内に印字することでデジタル的に 管理することもできるため、追加工を行わずにトレーサビリティを担保することも可能。 複雑な穴あけ用の専用治具。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 12

部品点数を削減 機械加工では2つの部品をアセンブリする必要があるものも、3Dプリントでは一体でプリントできるケ ースも多く、隙間に粉塵や切り屑が堆積するなどの問題も防ぐことができます。例えば、位置決めにス トレートピンや円筒ピンを使う代わりに、球体や菱形構造を組み込んだ一体造形でプリントし、隙間を 作らずに設置できるようになります。球体や菱形構造で位置決めを行えば、接点の面積が最小化でき るため、着脱時のかじりを低減したり無くしてしまうことができます。 治具に基準となる形状を組み込むことで検査を簡素化 治具を組立・製造ラインに実装する際、製作した治具の寸法精度を検証することが重要です。3Dプリント 製の治具は不規則形状で設計されることが多く、治具自体の形状がより複雑になる傾向があります。 こういった設計になると、ノギスやマイクロメーターなど一般的な計測器で検査することが難しくなっ てきます。そのため3Dプリント品の治具には設計上で基準となるポイントを設けておけば、簡単かつ正 確に検査が行えるようになります。 • これをデータム（Datum）と言いますが、「理論的に完璧な幾何学的基準」を意味する言葉で、完全 に平坦な面や、円筒内の穴の軸などを指す。この場合のデータムはその概念を治具の設計に落と し込んだもので、検査工程における基準点になるものを意味する。また、データムは二次加工の 要件や最終部品の機能要件に則したものでなければならない。 • 検査工程を簡素化して高い精度を得るためには、可能な限り平坦な面や垂直の形状を設けられ るよう設計時に意識した方が良い。どんな治具であっても、ワーク側または治具側の偏差のよう な加工条件のために冶具の設計変更を余儀なくされる恐れがあるため、その精度は加工完了後 のワークを検査するまでわからない。 • 精度が最重要視される場合は、複雑な曲面で構成される有機的な形状の検査には3Dスキャナや タッチプローブなどのデジタル計測ツールが有効。 補強用リブで剛性を向上 切削による治具製作の場合、その治具の剛性を高めるよくある方法は、負荷を受けて曲がりやすい箇 所を肉盛りするような形で補強することです。対してアディティブでの製作では、最小限の材料消費で 低コスト化を実現すると共に、製作期間を短縮することができ、補強用リブやフィレットを設けることで、 製作コストや時間を大きく増やすことなく補強することができます。 剛性の最大化と材料使用量の最小化を行う一般的な3Dプリント形状（左）と、材料切削量と加工時間の最小 化を行う一般的なフライス加工形状（右）。 ねじ付きインサートで高耐久性の締結を行う 3Dプリント製の樹脂部品は、金属部品と比べて繰り返しの使用による破損や摩耗への耐久性が低い ため、3Dプリント製樹脂部品にねじ穴を設計してねじで締結するという方法は、効果的とは言えません。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 13

そのため、ボルトを締め付ける際にナットを固定できる六角穴やねじ付インサートのような、より耐久 性の高い方法を採用すべきです。あるいは、3Dプリント製治具には、Tナットや下部の固定用プレートに ボルトを通すための”ばか穴”がある場合もあります。こういったケースでは、ボルトを通して固定する際 に3Dプリント製治具が変形してしまうのを防ぐため、貫通穴には一定公差内のクリアランスを設けてお くことが必要です。 治工具設計時のユーザーエクスペリエンスを考慮する 優れた製造プロセスとは、治工具でワークがどのように加工されるかに留まらず、その治工具が作業 者にとって精神的・身体的にどれだけ使いやすいかが考慮されているものです。用途によって考慮すべ き事項やトレードオフになる事項は変わるものの、作業者の負荷を低減し、パフォーマンスを向上させ るために重要な事項がいくつか存在します。 • 可能な限り片手で扱える治工具を設計する。もう片方の手で部品を配置または保持したり、 切替時には手を休めることができるようにする。 • 二次加工で、人間が介在しなくても部品を安全に固定できる治具を設計する。 • 位置が合っていない場合にすぐに気付けるよう、配置ミスが際立つ形状にする。 • 冶具にワークが固定されている時のことだけでなく、ワークの設置時から二次加工作業時、 加工後のワーク取り外し、次工程への送り出しに至るまで、作業の全体的な流れを考慮する。 また、作業者を疲労させないよう、常に作業時に要する時間、労力、動作を最小限に抑えるように 努める。必要な動作がすべて考慮され、かつ設置環境の空間的にその動作が十分に可能かを確 認するため、デザインしながら実際に手を動かしてみてイメージすること。 加工くずの影響を管理するための公差を設ける 例えば穴あけ時などに、削った箇所の周りにバリが発生することがあります。こういう場合は治具内にク リアランスを設けることで、ワークや加工機の動作に支障を来たすことなく、バリが発生してもそれを吸 収できるだけのスペースを確保することができます。同様に、フライス加工時にも材料くずが治具に溜ま ってしまう場合があるため、可能な限り材料くずが詰まってしまうような隙間や溝、くぼみは無くしてしま うか最小限に留めてください。ワークの取付や取外しの際に材料くずを流せるような溝を作っておけば、 治具の機能性を向上させることができます。角をアールにしたり溝を作ることで表面に傾斜を設けるこ とができ、加工エリアから材料くずを除去したり吹き飛ばす等してクリーニングが行いやすくなります。 角をアール状に面取りするフィレット加工は、時間とコストがかかり、材料くずの発生量が増えてしまう、 あるいは部品点数を増やしてアセンブリを行う必要があり、継ぎ目も増えてしまう点が課題です。 3枚のプレートをボルトで固定する形の典型的なコーナー位置決め治具をフライス加工で製作する場合、 プレート間の隙間に切りくずが楔のように入り込んでしまう（左）。このコーナー位置決め治具を3Dプリント する場合は、角をアールにした溝を設けた継ぎ目のない形状を、フィレット加工などのコストをかけずに実 現できる（右図）。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 14

3Dプリントのガイドライン ここ数年の間に、高精度の3Dプリンタが手頃な価格で入手できるようになり、使いやすさと信頼性も 向上しました。その結果、3Dプリントは多くの企業で導入される一般的な技術となった一方で、市場に 存在する様々な3Dプリンタから適切なものを選定することも難しくなってしまっています。本技術資料 では、現在最も普及している3Dプリント方式であるFDM（熱溶融積層）、SLA（光造形）、SLS（粉末焼結 積層造形）の3つの方式を比較します。 治具を3Dプリントで製作する場合、速さと使いやすさ、コストの観点からFDM方式が多く選ばれます。 しかし、製作したい治具の要件に以下が含まれる場合には、SLAやSLS方式の方が適していると言え ます。 • 精密な形状、高い精度、滑らかな表面品質が求められる場合 • 強度や耐久性などに優れた機械的特性をもつ材料を使用する場合 • 形状が複雑で細かなものである場合 • 一定以上のプリントスピード SLA光造形プリントによる治具製作 低コストで工業品質プリントが行えるデスクトップSLA光造形3DプリンタForm 3+。 レジンを使用するSLA光造形3Dプリンタは、液体の光硬化性樹脂に紫外線レーザーを照射し、光重合 という化学反応を利用して硬化させる造形方式です。SLAによる造形品には、負荷がかかる方向によっ て強度が変わることのない等方性、精密で細かな造形、高い精度という特徴があります。この造形方式 は、微細なディテールや滑らかな表面品質が求められる場合に最適で、使える材料の幅も豊富です。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 15

軟質材から高強度、高剛性、静電気散逸性、高耐熱、難燃性材料まで、Formlabsでは過酷な環境での 使用にも耐える高機能なエンジニアリング用レジンを幅広く提供しています。治具の3Dプリントには Tough＆Durableシリーズのレジンが特に人気です。 また、Formlabsの3Dプリンタはプリント前の準備、プリンタの操作、メンテナンスが非常に簡単です。 最小限の備品があれば、どんな製造プロセスにも無理なく導入することができるでしょう。しかし、 SLA方式は材料の耐光性の問題から、長期使用する場合には強度や耐性に制約が存在します。 そのため、長期使用を行う治工具の製作にはSLS方式を推奨します。 SLSプリントによる治具製作 SLS（粉末焼結積層造形）方式は、工業用3Dプリントの分野で最も多く採用されている方式であり、 最終部品の試作から量産までを一貫してアディティブマニュファクチャリングで行う際に広く用いられ る方式でもあります。複雑な形状で高い機能性・耐久性を備えた治工具を高い生産性をもって製作す る必要がある場合は、SLS方式をおすすめします。 直感的で誰もが簡単に扱え、省スペースな装置サイズ、そして1,000万円以下で導入できる価格が特徴のSLS 方式3DプリンタFuseシリーズ。 SLA方式は液体のレジンを使用する一方、SLS方式の3Dプリンタでは、粉末状のポリマー材料を高出 力レーザーで焼結して造形を行います。SLS方式では造形品周囲の未焼結パウダーが造形品を支える ため、サポート材を使う必要がなく、高さ方向に積み重ねてプリントできるため、小ロット量産にも対応 します。こうした特徴により、SLS方式では連結部やヒンジ状の可動部品、複雑な内部構造などもアセ ンブリすることなく一体造形が可能です。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 16

また、SLS方式の大きなメリットの1つに、その材料があります。ナイロン等のSLS用3Dプリント材料は、 あらゆる製造業の現場で既に射出成形やアディティブマニュファクチャリングで広く採用されています。 ナイロン製の3Dプリント品は強度や耐久性、耐熱性に優れており、長期使用の治具として最適で、高い 耐衝撃性を備えているため、日々の作業で繰り返し使用しても摩耗や破損が発生しにくく、現場の過酷 な環境でも使用することができます。 FormlabsのFuseシリーズは、コンパクトかつ低コストでありながらハイエンドのSLS方式3Dプリンタと 同等以上の造形品質を発揮します。SLS方式による造形を内製化すれば、生産プロセスの大部分を自 社で管理・コントロールできるようになるという大きなメリットがあります。 適切な3Dプリント方式の選定 以下の表では、3Dプリントでの治具製作をSLA方式かSLS方式で行う際に、考慮すべき重要事項をまと めています。さらに詳しい情報をお求めの場合は、Formlabsの造形方式の比較をご参照ください。 SLA方式3Dプリント - Formシリーズ • 緻密かつ高精度で滑らかな表面品質 • 幅広い材料の選択肢 • 使いやすさ • 導入しやすい装置価格 SLS方式3Dプリント - Fuseシリーズ • 高強度高耐久性の長期 使用に対応する治工具 • サポート材不要で複雑形状にも対応 • 高い生産能力 • 量産時にも高いコスト効率 作業手順におけるベストプラクティス 製作した治工具を検証する • 元になるCADモデルと造形した治具を比較し、検査を行う。ノギスやマイクロメーターなどの測定 器で造形品の寸法を確認し、データ上の値と比較する。 • 治具の機能面を検証する。ワークに取り付けた際の位置や表面のフィット感、安定性を注意深く 確認する。適切に設計・製作された治具はワークをしっかりと保持することができ、固定のための 力が加わると、ワークは完全に固定される。 • フライスや穴あけ加工など、高い荷重のかかる作業については、安全性と共に送りやスピード、 設備機器の出力、選定した材料に基づいて固定の要件を算出する。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 17

SLAプリント品ではクリープを考慮する 3Dプリント材料、特にSLA用のレジンは、長期間の固定で治具が作業台に締め付けられるなど継続的 に負荷を受けることでクリープ（長期間の圧力などによる永久ひずみや破壊）が発生する場合があり ます。継続的な負荷による造形品の変形を防ぐため、二次加工完了後にはボルトやクランプによる締 め付けを緩めるようにしてください。造形品に継続的な負荷がかかることが想定される場合は、SLS 方式でのプリントを推奨します。 汎用部品で3Dプリント製治具の機能を強化 このアプローチは、3Dプリントの特殊性と設計の柔軟性を要する治具でありながらも、必要な動作や 強度、導電性などの他の要件がアディティブでは満たせない場合に有効です。3Dプリント製の治具に機 能を付加するための一般的な汎用部品には、強度を維持しながら長い距離を移動するための金属製 シャフトや、より大きな面積でボルト頭の面圧を分散するためのワッシャーなどがあります。3Dプリント 品を汎用部品と組み合わせて使用することで、治具全体を機械加工で作るよりも格段に低コストで線 状（リニア）または回転に対する機械的機能がすぐに得られます。 治具の取外しを簡単に ばね、傾斜面のスライド、または”てこ”を利用してワークを治具から持ち上げることができます。治具内 にばねを仕込んでおくことで、ワークを固定する力を解除した際にばねの力でワークが外れ、作業者に よる取外し作業の負荷を大幅に軽減することができます。可動式のスライダーや”てこ”を使っても同様 の効果を得ることはできますが、作業者が行う作業手順が1つ増えてしまいます。その治具にとって最適 なアプローチは、その治具の使用目的や治具を使用する設備機器、加工時間などによって異なります。 必要に応じて摩耗した治具を交換できるようにする 通常の使用環境であっても、組立用治具などは繰り返し使用するうちに摩耗・破損などで効果的に使 用できなくなってしまいます。外注で製作する場合では、最小注文数が設定されていることが一般的で すが、3Dプリントでの治具製作の場合は、自社で製作点数を決めることができるため、必要な時に必 要な分だけ製作し、すぐに交換することができます。摩耗などで劣化した治具を内製してすぐに交換で きれば、サプライチェーンからの納期を短縮し、ダウンタイム発生リスクを抑えることにもなります。 3Dプリント製治具に表面処理を施して強化する SLS方式などの3Dプリント用材料は、高度な後処理を施すことで外観や機能をさらに向上させること ができます。SLSプリント総合ガイドでは、SLSプリント品の後処理に関する基礎だけでなく、ブラスト 処理やコーティング、塗装などについても解説しています。電解めっきや蒸着、塗装などの表面処理は SLA方式の造形品にも施すことが可能で、強度や耐久性を強化することができます。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 18

1. 設計 4. 組み立 2. て 検証 3. 製造 5. 表面仕上げ 6. 検査 ケーススタディ このセクションでは、Formlabs SLAおよびSLS方式3Dプリンタのユーザーによって行われた、検証試験 から検査までの各工程における治具のさまざまな事例をご紹介します。 生産検証試験（PVT） 3Dプリント製の測定器や検査用治具は、量産工程に入る前の検証工程でも使用することができます。 生産検証とは、ある部品や製品が定められた要件を満たし、量産工程に移行する準備が整っているか どうかを判断するためのステップです。PVT段階での目的は、その部品や製品が求められる品質を満た しながら安定して継続的に製造できるかを確認することです。試験項目は広範囲におよび、製品開発の 最終段階で試作品やプリプロダクション品に対して行われます。 試験方法には、環境チャンバー試験、熱サイクル試験、振動試験、ESD試験、生体適合性評価試験、耐薬 品性試験、FDA、FCC、UL、CE、EC、RoHSなどの認証、経年試験、放射線試験、外観評価試験、摩耗試験、 落下試験などがあります。これら試験に必要となる試験用治具を3Dプリントで製作すれば、試験の準 備期間を短縮でき、試作品やプリプロダクション品の反復検証を高速で行うことが可能となります。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 19

Dorman Productsの加圧ホース用の試験治具と合否判定ゲージ。Form 3にてGreyレジンでプリントされている。 材料加工 材料加工とは、原材料を加工して必要な形状を得る工程です。加工技術には、金型を用いた成形や鋳造、 切削、溶接などがあります。これらの技術には通常、CNC（コンピュータ数値制御）加工機などの特殊 で高額な設備機器、金型、熟練した作業者などが必要で、製造コストを回収して投資対効果（ROI）を向 上するにはこのような機器の稼働率を最大化することが重要です。 3Dプリントによる内製化で、メーカー各社はその作業専用に設計した治具やソフトジョー、位置決めピン、 他にもその工程や加工方法に合わせた治具を迅速かつ低コストで製作できるようになっています。 成形機：熱成形機用のインペラ交換部品 米Productive Plasticsは、カスタム品の樹脂部品の設計や真空成形などによる量産サービスを提供す る業界大手の委託加工会社です。同社は1995年の創業以来、高品質かつ厳正な基準をクリアした真空 成形品を、医療、鉄道、電子機器、自動車など多くの業界に提供し続けています。 Productive Plasticsでは6つの生産セルが稼働しており、複数の生産プロジェクトを同時並行で進める ことができます。各セルには工業用の真空成形機、CNC加工機、組立エリア、コンピュータシステムがあり、 生産の管理・監視を行っています。ツーリングエンジニアのDustin Johnson氏は、案件ごとに必要とな る治具を見極め、設計しています。ある案件では作業者が2つの部品を正確に組み合わせられるようド リルガイド治具が必要となり、また別の案件では破損した機器の交換部品が必要になります。 FORMLABS：3Dプリントで各種治工具を内製するには 20