アディティブ・マニュファクチャリングの生産規模を拡大する
2021年8月23日｜読了時間：9分
工業用3Dプリンティング工場の生産性を最小限の労力で向上させ、最適化するにはどうすればよいでしょうか？私たちはシミュレーション・ソフトウェアを使用して、積層造形プロセスと後処理ステップをシミュレートしました。私たちの顧客のユースケースは、スケーリングプロセスを容易にします。
最高の投資収益率を得るには？
アディティブ・マニュファクチャリング（AM）生産のスケーリングは、スケーリング戦略を決定する前に複数の要因に注意しなければならないため、骨の折れる仕事です。
この記事は、最小限の労力でAM工場の生産性を向上させ、最適化したいとお考えの方のためのものです。スケーリング・プロセスを簡単に実行できるよう、実際のお客様の使用例を説明します。
主な課題
顧客は、既存のEOS P 396マシン2台に EOS P396システム3台を追加して、生産量を増やしたいと考えていた。しかし、既存の後処理装置が1人シフトで最高のスループットを処理できるかどうか、チームは確信が持てませんでした。AM製品は変わらないので、ワークフローも装置のタイプも変わらない。主な課題は、追加する後処理装置とリソースを最適化して最高のスループットを実現しつつ、部品当たりのコストをできる限り低く抑えることだった。
私たちは、適切な可変入力パラメータでカスタマイズされた生産モデルを開発することで、お客様をサポートしました。これらの入力パラメータを変化させることで、さまざまなシナリオを生成し、スループットと部品あたりのコストの感度をチェックすることができます。この情報は、AM生産を拡大するための追加投資を最小限に抑え、最適化されたシナリオを決定する際の指針となります。
要約すると、私たちは工場のボトルネックを特定しました。後工程に小さな変更を加えることで、生産量を24％増やし、マージンを124％増やし、投資利益率（ROI）を115％増やし、部品当たりのコスト（CPP）を18％削減した。
シミュレーションによる生産最適化問題の解決
連続生産のビジネスケースを成功させるには、生産量とコストに影響するすべての生産パラメータを詳細に分析する必要があります。これらの生産パラメータは多くの場合、互いに非線形な関係にあるため、エクセルのスプレッドシートを使って最適化することはほとんど不可能です。一方、シミュレーションソフトは、生産に関連する複雑な問題をすべて考慮し、最適化問題をより簡単に解決します。
私たちEOSは、シーメンスのTecnomatix Plant Simulationを使用し、お客様にカスタマイズされたソリューションをシミュレートしていただき、Make or Buyを決定するための適切なプロセス理解をお手伝いするサービスを提供しています。
シミュレーション・ソフトウェアを使用して、AMプロセスと後処理工程をシミュレートしています。AMビジネスを成功させるには、後処理のスループットとコストを分析する必要があります。シミュレーションにより、複雑なプロセスチェーンの精査が容易になります。
プラント・シミュレーションは、計画されたすべての事象を検討する離散事象シミュレー ションです。例えば、ジョブの処理に1時間かかる場合、シミュレータはジョブの開始時刻と終了時刻を検討します。ジョブがどのように処理されるかをシミュレートするのではなく、何時にイベントが発生するかをシミュレートします。他の計画されたイベントは、作業員のシフト時間、セットアップ時間、機械のメンテナンス時間などです。
ケーススタディの紹介
プラント・シミュレーションは、計画されたすべての事象を検討する離散事象シミュレー ションです。例えば、ジョブの処理に1時間かかる場合、シミュレータはジョブの開始時刻と終了時刻を検討します。ジョブがどのように処理されるかをシミュレートするのではなく、何時にイベントが発生するかをシミュレートします。他の計画されたイベントは、作業員のシフト時間、セットアップ時間、機械のメンテナンス時間などです。
| 開梱ステーション | x1 |
| 粉体管理システム | x1 |
| ダイマンション・パワーショットC | x1 |
| パワーショットS | x1 |
| ダイマンションDM60 | x2 |
| 紫外線処理 | x1 |
| 表面仕上げ | x2 |
| 乾燥エリア | x1 |
| 検査表 | x1 |
EOS P 396では、144個の部品を含むジョブを印刷できる。2台のEOS P 396は、年間426ジョブ、年間61.344パーツを生産できる。顧客は、さらに年間600ジョブ、年間66,400個の部品を生産する必要がある。最初の計算では、目標達成にはさらに3台のEOS P 396が必要であり、これは企業にとって高額な投資を意味する。そのため、生産シミュレーションの目標は、後工程の設備の量を減らし、故障、メンテナンス、作業員のシフトモデルなど、生産の複雑性をすべて考慮した上で、生産量を達成できるかどうかを見極めることだった。
どのように進めたか
全体のレイアウトは3つのエリアに分けられた（図1参照）：
- AMプリンター
- パウダー・マネジメント
- 後処理
お客様は、粉体のクロスコンタミネーションのリスクを最小限に抑えるため、3つの領域を持つことを希望しています。まず、既存の2台のEOS P 396でシミュレーション・モデルを作成し、次に3台のEOS P 396と上記の機器を追加したモデルを作成しました。このお客様は、月曜日から金曜日まで1人の作業員でシフトを組んでいます。分析プロセスでは、消耗品やオペレーターなど、あらゆる種類の変数を生産設備に慎重に適合させました。
離散事象シミュレーションは、ある時点で起こっているすべての事象をシミュレートすることができる。開始時刻と終了時刻は考慮しますが、その間に何が起こるかは考慮しません。
例えば、17:50にATMに入り、17:53にATMを出たとします。シミュレーションでは、17:50にイベントの開始が表示され、17:53にイベントの終了が表示されます。工場のシミュレーションでは、予定されたイベントから次のイベントに時計がジャンプします。
製造の文脈では、部品は加工のために機械に入り、加工が終わると出ていきます。部品の加工には様々なステップ（セットアップ時間、ロード時間、アンロード時間）があり、これらすべてをシミュレーションに含めることができます。シミュレーション研究は、機械のスループットと稼働率の向上に役立ちます。また、最適なビジネスケースを実現するために、作業員数、設備、機械、ストレージのサイズを決定するのにも役立ちます。
シミュレーションの分析と結果
AMエリアと粉体管理エリアの最適化
まず、AMエリアとパウダーマネージメントエリアのシミュレーションを行った。シフトモデルは以下のようにオリジナルから変更しなかった：
- シフト：1シフト（8時間）、月～金
- 製作時間：20時間
モデルが構築されると、最初の課題は、これら2つの活動に最適なワーカーの数を特定することだった。私たちは5回の実験（Exp.）を行い、表1に示すように、この2つの分野では1人の作業員で十分であると判断しました。作業員が1人であろうと5人であろうと、スループットは変わらない（年間1.065ジョブ）。
| オペレーター数 | 雇用創出 |
|---|---|
| エキスポ1 1 | 1065 |
| エキスポ2 2 | 1065 |
| エキスポ3 3 | 1065 |
| エキスポ4 4 | 1065 |
| エキスポ5 5 | 1065 |
表1：AM＆パウダー管理地域のオペレーター数とそれぞれの年間生産量
次に、作業員が粉体をEOSマシンに分配するための粉体輸送ボックス（EOSマルチボックス、写真1参照）の数を最適化することに焦点を当てた。10回の繰り返しで、年間1062ジョブのスループットを達成するには、EOSマルチボックス7台が最適であることが判明した（表2参照）。7台以上のマルチボックスを導入することによる生産量の増加は、追加コストを正当化するものではありません。年間3ジョブ（1062ジョブから1065ジョブへ）の増加しかなく、本レポートには示されていないコスト増は、このわずかな生産増を正当化するものではありません。
| マルチボックス数 | 雇用創出 |
|---|---|
| Exp 01 1 | 184 |
| Exp 02 2 | 367 |
| 第03巻 3 | 551 |
| 04年4月 | 732 |
| 05年5月 | 911 |
| 06年6月 | 983 |
| 2007年7月 | 1062 |
| 08年8月 | 1064 |
| 09年9月 | 1064 |
| Exp 10 10 | 1065 |
表2：マルチボックスの数と各ジョブ
後処理エリアの最適化
AMと粉体管理エリアの最適化の後、次の難題は後処理エリアだった。このエリアには、7つの異なるプロセスステーションがあり、10のステップがありました：
- ダイマンションでの部品洗浄* パワーショットC
- 超音波洗浄
- 表面仕上げ
- 超音波洗浄
- 乾燥
- ダイマンションでの表面処理* パワーショットS
- 紫外線処理
- ダイマンションDM60のカラーリング
- ダイマンションでの表面処理* パワーショットS
- 紫外線処理
(*DyeMansionはEOSエコシステムの一部です)
さらに、顧客のワークフローに関する課題もいくつかありました。例えば、パートナーであるDyeMansion社のブラストステーション（Powershot SとC）は、1回のビルドで生産されるパーツの半分（144パーツのうち72パーツ）、つまり1回のビルドで2ロットのみを処理する必要があります。しかし、DyeMansion DM60着色システム、表面仕上げ、乾燥などの他のすべてのステーションでは、すべてのジョブを処理する必要があります。
元のモデルを後処理領域まで拡張した後は、最適なオペレーター数を見つけることに集中した。AMの最適値である年間1062ジョブから始めて、1～5人のオペレーターで5つの異なるセットアップを実行した。表3に見られるように、後処理エリアが以前の作業者数よりもかなり高いスループットを得るためには、4人の作業者が必要である。4人の追加ジョブは、追加オペレーターの追加コスト（ここでは示していない）を正当化しない（848人対849人）。
| オペレーター数 | AMによる雇用創出 | AM +で生み出される仕事 ポスト処理 |
|---|---|---|
| エキスポ1 1 | 1062 | 228 |
| エキスポ2 2 | 1062 | 666 |
| エキスポ3 3 | 1062 | 787 |
| エキスポ4 4 | 1062 | 848 |
| エキスポ5 5 | 1062 | 849 |
表3：後処理エリアのオペレーター数と各ジョブ
興味深いことに、AMとパウダー・マネージメント・エリアとオペレーター1人の基本モデルでは、1065ジョブが生産されるが、後工程エリアを含めると、後工程の作業員数を4人まで増やしても、848ジョブしか生産できない！5人目の作業者を増やしても、フル生産ラインでのジョブ数を大幅に増やすことはできない。したがって、後処理エリアのどこかにボトルネックがあるに違いない。
シミュレーションモデルは、表面仕上げエリアのボトルネックを簡単に特定するのに役立ちました。図1に、未完了のジョブ（または仕掛品）が山積みになっているのがわかりますか？
表面処理エリアでは、まだ215ジョブ、30.900パーツを処理する必要がある。
結論
ここでの重要なメッセージは、AM生産戦略の拡張と最適化は複雑な作業になりうるということだ。それは、シナリオごとに異なる主要パラメータを持つ特定のレイアウトに合わせた、独自の課題である。戦略を考慮に入れて分析しないと、誤った結論につながる可能性があります。当社のシミュレーションの専門知識と30年にわたるAMの経験により、最高の機械稼働率と部品当たりの最低コストを達成するための、勝利のスケーリング戦略を立てることができます。
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当社は、3dプリント医療機器を医療センターの近くで製造できる複製可能なマイクロファクトリーの開発において、Med In Townを支援してきた。この取り組みが大成功を収めたおかげで、同社は国際的に事業を拡大し、活動分野を多様化できる立場にあります。
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EOSは、金属やポリマーのパイロット生産ラインにより、お客様の生産スループット、部品品質、重要部品やワークフローのビジネスケースを最適化し、検証することができます。ミュンヘン空港に近い当社のデジタル工場は、最先端の積層造形装置と後処理装置を備え、お客様のアイデアにお応えします。
