3D プリントとワイヤーハーネスの組み立て

May 06, 2023

ハーネス メーカーは、H350 マシンを使用して、オンデマンドで生産レベルで高品質のコネクタを 3D プリントできます。 写真提供：ストラタシス株式会社

プラスチック製のこれらの白いブロックは、ハーネスの組み立て中にコネクタを所定の位置に保持するホルダーです。 写真提供：株式会社HP

ワイヤー ハーネス メーカー Cesar-Scott Inc. は、コネクタ ホルダー、スイッチ、治具、固定具、機械の安全ガードとスペアパーツを 3D プリントします。 写真提供：Cesar-Scott Inc.

この写真では、CNC 加工されたハーネス コネクタが、導電性テストに使用される 3D プリントされた嵌合コネクタの上に置かれています。 写真提供：エレクトレックス株式会社

TE Con​​nectivity は、航空宇宙メーカーの要請に応じて、D369 コネクタ用のこの取り付けホルダーを設計し、3D プリントしました。 写真提供：ストラタシス株式会社

長年にわたり、ハーネス メーカーは、基本的な治具や工具、プロトタイピング アプリケーション、または完成したハーネスの導通テストを実行するために必要なコネクタにのみ 3D プリントを使用してきました。 しかし現在、3D プリンターのサプライヤーは、企業がさまざまなコネクタや固定具を経済的に印刷できるようにする機械を導入しています。

「3D プリントしたハーネス コンポーネントをカスタマイズできることは大きな利点ですが、欠陥を修正したりプロジェクトをより迅速に完了できるなど、他の利点もあります」と、ワイヤーを製造した Electrex Inc. のエンジニアリング サービス ディレクターである Tim Buhler 氏は認めます。 1970 年代後半以来、オフロード車両およびオンロード特殊トラック用のハーネスを製造しています。 「ハーネスの品質を向上させる必要性が、テスト治具、ワイヤを基板に固定するためのクランプ、組立業者がハーネス上のコネクタの位置、方向、識別を支援するホルダーなどの部品の 3D プリントを開始した主な理由でした。」

3D プリンティングにより、Electrex は顧客を支援できるようになりました。 たとえば同社は昨年、トラクターを製造する優先顧客向けにハーネスの機能および導通テストを実行する独自のコネクタを印刷しました。 これによりハーネスの品質が向上しました。

最近まで、自動車や航空宇宙などの確立された業界のメーカーのみが 3D プリンティングを活用していました。 現在、ハーネスメーカーも同様の取り組みを行っており、製造に影響を与えるサプライチェーンの問題を考慮すると、これ以上のタイミングはありません。

お金と時間を節約し、設計の自由度や材料の柔軟性を享受できるなど、3D プリントの従来のメリットは、他のメーカーと同様に組立業者にとっても魅力的です。 しかし、積層造形により、ハーネス組立業者は日常的にサードパーティ部品サプライヤーへの依存度を下げることも可能になります。

Stratasys Ltd. の商用アプリケーション エンジニアである Allen Kreemer 氏の言葉を聞くと、プロトタイプ コネクタを作成するためだけに 3D プリントを使用する時代は終わったということです。 同氏は、2021年7月に導入されたStratasys H350マシンのおかげで、ハーネスメーカーはオンデマンドで生産レベルで高品質のコネクタを生産できるようになったと述べた。

「H350 で使用される高度なテクノロジーは、今世紀初めにラフバラー大学で行われた研究作業から始まり、15 年近く研究が続けられてきました」とクリーマー氏は説明します。 「しかし、ワイヤーハーネスやその他の市場で使用できるようになったのはここ数年のことです。これらの市場には、自動車、白物家電、エレクトロニクス、重機、RV 車産業が含まれます。」

H350 の鍵は選択的吸収融合 (SAF) テクノロジーであると Stratasys の商用アプリケーション エンジニアである Alec Logeman 氏は述べています。 SAF は、吸収液を塗布してパーツ層にイメージングする前に、逆回転ローラーを使用してプリント ベッド上に粉末層をコーティングします。 次に、プリントベッドの幅全体に赤外線ランプを通すことによって、層が溶けて融合されます。

工業用圧電プリントヘッドによって液体が所定の領域に塗布され、各部品の断面が作成されます。 このプロセスは、ビルド内の配置に関係なく、均一な熱体験とパーツの一貫性を提供するために、プリント ベッド全体で常に同じ方向に実行されます。

「メーカーは、任意のピン数で任意の形状のコネクタをカスタム印刷できます」と Logeman 氏は言います。 「プリントされたコネクタ本体は通常射出成形されるものの代わりに使用され、ピンは別のプロセスで挿入されます。

「H350 では、その大きな作業領域 (315 x 208 x 293 ミリメートル) により、企業はわずか 13 時間で最大 200 個の標準 3 ピン Molex タイプ コネクタを 3D プリントできます」と Logeman 氏は続けます。 「同じスペースで 400 近くの小型コネクタを印刷できます。生産量はエンドユーザーによって異なりますが、企業が週に数千個のコネクタを印刷するか、年間に何千個のコネクタを印刷するかに関係なく、このプリンタはコスト効率が高くなります。」

H350 では、Stratasys は樹脂やフィラメントではなく、サードパーティ認定の粉末材料 PA11 を使用しています。 PA11 は、持続可能なヒマシ油から得られる再生可能な原料で作られたバイオベースのプラスチックです。

「3D プリンティングに切り替えるときに最高の製造部品を入手するには、積層造形の実践に設計を使用することを検討してください」と Kreemer 氏は推奨します。 「既存の設計を調整する際にこれらの戦略を導入すると、部品をより速く、より安く、より良く作ることができます。」

組立業者は、組み立て中にワイヤー ハーネスを基板に取り付けるためにさまざまなタイプの治具を使用します。 1 つのタイプは、各コネクタが挿入されるプラスチック製のホルダーまたはカバーです。

HP Inc. の AMS 地域のビジネス開発マネージャーである Isabel Sanz 氏は、HP の Jet Fusion 5200 および 5210 モデルは 3D プリンティング コネクタ ホルダーに最適であると述べています。 どちらのマシンも、大量生産のために Multi-Jet Fusion (MJF) テクノロジーを使用しています。

MJF は、二次元層 (厚さ 0.003 インチ) の形状で粉末 (PA11 または PA12) 表面に融着剤を 1 回のパスでスプレーするプリント ヘッドを備えた取り外し可能なビルド ユニットを備えています。 次に、赤外線ランプが粉末を加熱して溶融し、その後粉末の別の層が堆積され、このプロセスが繰り返されます。

各プリンタは、15 x 11 x 15 インチの作業範囲と、1 インチあたり 1 秒あたり 3,000 万滴の定着剤を正確に塗布する噴射システムを備えています。 必要に応じて、プリント ヘッドは目的の融着領域の隣の領域にディテイリング エージェントを塗布して、熱によるにじみを防ぎ、部品の性能を向上させることができます。 このエージェントは、ハーネス組み立て中のワイヤやコネクタの損傷を防ぐために丸みを帯びたエッジなどの機能も生成します。

「どちらのモデルも、1 回の印刷ジョブ サイクルで最大 184 個のホルダーを印刷できます。これには、11 時間の印刷とその後の 36 時間の冷却が必要です」と Sanz 氏は説明します。 「私たちのテストと研究により、5200 シリーズで印刷されたホルダーのリードタイムは 2 ～ 6 週間から 1 日に短縮されることがわかりました。ホルダーのコストは、1 日あたり 250 ～ 300 個のペースで製造した場合、部品あたり 6 ～ 7 ドルになります。これは、 CNC 加工のホルダーと比較すると、最大 75% の節約になります。」

Electrex は、北米の拠点 (カンザス州に 3 台、メキシコに 9 台) で 12 台の 2D および 3D プリンタを稼働させ、さまざまな固定クランプやコネクタ ホルダーを製造しています。 主なプリンタは、熱溶解積層法 (FDM) プロセスを使用する Comgrow 製 Creality Ender 5 Plus モデルです。 プリンターは、部品が完成するまで、溶融したフィラメント材料 (この場合はポリ乳酸、または PLA、天然熱可塑性ポリエステル) をビルド プラットフォーム上に層ごとに堆積させます。

「当社では部品の大部分に標準的な既製プリンタを使用しています」とビューラー氏は言います。 「それらは最大12インチ四方まであり、ほとんどの部品のサイズは6インチ四方未満、小さいものでは1インチ四方です。」

ワイヤー ハーネス メーカーの Cesar-Scott Inc. (CSI) も、FDM ベースの 3D プリンターを利用してコネクタ ホルダーを製造しています。 同社の Atom 産業用プリンター (TCC Print 製) は、12 インチ四方の作業範囲内で PLA またはアクリロニトリル ブタジエン スチレン (ABS) 部品を作成します。

CSI は 1988 年に設立され、1994 年からワイヤー ハーネスを、2012 年からスイッチ ハーネスを製造しています。このタイプのハーネスは、ガス コンロ、バーベキュー、ガス グリル、その他の機器の電子スパーク モジュールに電力を供給します。

「2015 年以来、コネクタ ホルダー、ジグ、固定具、機械の安全ガードやスペアパーツに加えて、ほとんどのプロトタイプ スイッチを 3D プリントしてきました」とオーナー兼共同創設者の C. Gustavo Farell 氏は説明します。 「昨年、私たちは 500,000 個近くのハーネスを製造しました。それぞれのハーネスには 4 ～ 5 個のスイッチと 2 ～ 10 本のワイヤが付いています。

「私たちにとって、3D プリントを使用する主な利点は、故障するまでの速度が速くなるということです」とファレル氏は続けます。 「これが言いたいのは、間違った部品をより速く印刷できればできるほど、生産で使用する正しい部品の金型をより効率的かつコスト効率よく作成できるということです。正しく作るには平均して約 3 回の試行が必要です。 。」

ファレル氏によると、CSIはコネクタの色に合わせてホルダーを複数の色で印刷しているという。 これは、アセンブラが正しいコネクタをホルダーに配置し、正しいワイヤをコネクタに配置することを保証するのに役立ちます。 色は白、透明白、黒、赤、青、緑があります。 ほとんどのホルダーは 1 平方インチまたは 2 平方インチですが、最大 8 平方インチの大きさのものもあります。

CSI がハーネスで使用している一部のスイッチは、サードパーティによって印刷されて送り返されます。 Farell 氏によると、これらのスイッチはステレオリソグラフィー (SLA) 印刷プロセスを介して PCB に実装される必要があります。

このプロセスとその機器により、スイッチが政府機関の承認に必要な高温と解像度の要件を確実に満たすことができます。 ローエンド機器は必ずしもこれらの要件を満たしているとは限りません。 この作業は、テキサス大学エルパソ校の 3D エンジニアリングおよび積層造形テクノロジー センターのほか、複数の企業によって行われています。

Stratasys の H350 プリンタと Origin One プリンタは両方とも、コネクタ ホルダーを 3D プリントできます。 後者のモデルは、最大 192 x 108 x 370 ミリメートルの部品寸法をサポートし、サイズが 50 ミクロン未満の詳細を印刷します。

認定されたサードパーティ材料には、工業用樹脂のほか、高温耐久性エラストマー、汎用および医療グレードの材料が含まれます。 Origin One のプログラム可能な PhotoPolymerization P3 ソフトウェアは、光、温度、引っ張り力、空気圧を正確に調整して、部品の品質を最適化します。

ワイヤーハーネスの取り付けに役立つアクセサリーも 3D プリントできます。 これらには、クランプ、ブラケット、取り付けホルダー、配線補助具が含まれます。

最近、ケーブル管理のスペシャリストである HellermannTyton (HT) は Fast Radius Inc. を雇い、カスタム配線補助具を 3D プリントして、HT の作業員が完成したワイヤー ハーネスに取り付けて車両に簡単に設置できるようにしました。 AIDS のサイズが大きく複雑であるため、HT エンジニアは設計を複数の小さなセクションに分割し、HP Jet Fusion マシンで印刷する必要がありました。

HT のプロダクト デザイナーであるイーサン フィッシュ氏は、Fast Radius は最初の実行でわずか 6 週間で 3,000 以上のセクションを提供したと述べています。 次に、HT の作業員がこれらの部品を 1,235 個の部品に組み立てました。 各印刷セクションの長さはほぼ 13 インチで、最終的なアセンブリの長さはほぼ 46 インチです。

このプロジェクトに Fast Radius を採用したことで、HT は自動車顧客向けの射出成形ツールと試用にかかる初期費用を削減することができました。 また、HT はプロジェクトのリードタイムを 2 か月近く節約し、プロジェクトの総コストを 100 万ドル近く節約しました。

部品サプライヤーの中には、独自の 3D プリントを好む企業もあります。 たとえば、TE Con​​nectivity は最近、航空宇宙メーカーの要請に応じて、D369 コネクタ用のプロトタイプの取り付けホルダーを設計し、3D プリントしました。 このホルダーは、航空機のエンクロージャ内に取り付けられたコネクタを正しく確実に嵌合します。

メーカーは、ホルダーを早急に必要とすることに加えて、±0.002 インチの精度で航空宇宙グレードの素材で作られることを要求しました。 また、ホルダーは、さまざまな動作条件下での故障を防ぐために、業界標準の耐空性および環境テストに合格する必要がありました。

TE Con​​nectivity のエンジニアは、過去の経験から Stratasys Origin One をプロジェクトに使用しました。 一方、Stratasys の専門家は、ヘンケル ロックタイトと協力して、この用途向けの難燃性フォトポリマーを開発しました。

Jim は ASSEMBLY の上級編集者で、30 年以上の編集経験があります。 ASSEMBLY に入社する前、Camillo は PM Engineer、Association for Facilities Engineering Journal、および Milling Journal の編集者を務めていました。 ジムはデポール大学で英語の学位を取得しています。