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ヘッドライトレンズ製造課題克服で輝く3Dプリンティング

January, 21, 2025, Washington--最近の研究では、3D プリントを使用してヘッドライト レンズを作成することの利点が実証されている。この結果は、アディティブ・マニュファクチャリング(AM)が従来の製造方法の限界を克服し、様々な製品タイプの製造における柔軟性と性能を向上させる能力を強調している。

「従来の製造方法には、高コスト、長期納期、低歩留まりなどの制限があった。この研究では、ヘッドライトレンズをケーススタディとして使用し、従来の製造方法に代わる3Dプリンティングの可能性を探り、業界向けの製品検証プロセスを迅速化することを目指している」と、台湾の東海大学の研究チームリーダーChia-Hung Yehはコメントしている。

Applied Opticsで、研究チームは、3Dプリンティングを、ヘッドライトレンズを製造するためのコンピュータ数値制御(CNC)機械加工およびリバースエンジニアリングの従来の製造アプローチと比較した。その結果、3Dプリンティングは、卓越した精度と表面品質を達成しただけでなく、生産効率と費用対効果においても従来の方法よりも優れていることがわかった。

「3Dプリンティング技術は、製品設計のラピッドプロトタイピングを可能にし、デザイナーやエンジニアが作品の美的、構造的、機能的側面を迅速に検証できるようにすることで、光学部品の製造に著しく有望である。さらに、複雑で革新的なデザインを実現することが可能になり、新しい車両モデルの開発サイクルが短縮され、全体的な市場競争力が向上する」と、Yehとともに研究を主導した博士課程の候補者Wei-Min Chenは話している。

今日の製造業のニーズに対応
光学プラスチック業界が進化するにつれて、市場は徐々に多様な製品を提供し、カスタマイズされたニーズを満たすことに重点を置くようにシフトしている。一貫した品質に重点を置いた従来の大量生産モデルは、より小さなバッチとよりパーソナライズされたソリューションへの移行に置き換えられた。従来のレンズ金型は高コストのため、メーカーは生産に着手する前に財務上のリスクとメリットを慎重に評価する必要があり、意思決定プロセスが長引いていた。

「さらに、製品設計が複雑になるにつれて、金型設計と製造プロセスもより複雑になり、生産速度が遅くなっている。急速に変化する市場で競争力を維持するためには、製造設計能力がこれらの要求に迅速に対応する必要がある」(Yeh)。

新しい研究では、研究チームは、3Dプリンティング技術を生産に適用するためのケーススタディとしてヘッドライトレンズを使用し、光学部品の製造に一般的に使用される方法、CNC機械加工とリバースエンジニアリングとを比較した。チームは、実際の要件に基づいて適切なプロセスと材料を選択した後、様々な製造プロセスを使用してテスト製品を製造した。

プロセスの比較
研究チームは、光の透過率、表面プロファイル、曲率半径、直径、高さ、表面粗さなど、ヘッドライトレンズの主要な特性を測定することにより、製造結果を評価した。3Dプリントされたレンズは、最小の曲率半径誤差、優れた表面粗さ、また93%の透過率を示した。これは、CNC加工されたサンプルの透過率(94%)と2種類のリバースエンジニアリングレンズ(91%と94%)の透過率に匹敵し、市販のポリカーボネートレンズの90%の透過率を超えていた。

このテストでは、チームは1回の8時間プリントサイクルで14個のヘッドライトレンズを製造することができ、樹脂材料のコストは約30ドルだった。これにより、3Dプリンティングは1回限りのプロトタイプ設計に効果的であるだけでなく、小ロットや多品種製造の運用効率の向上や生産時間の短縮にも適していることが示された。

「3Dプリンティングには、複数のコンポーネントを1つの構造に統合し、製造コストを削減し、組み立てを簡素化するなど、主要な利点がある。全体として、光学アプリケーションにおける3Dプリンティングは、設計の柔軟性、コスト効率、持続可能性を向上させ、技術が進歩し続ける中で、業界における変革の力として位置付けられている」(Yeh)。

この研究では、ヘッドライトレンズの様々な製造プロセスを調査したが、実際の条件下でレンズの性能を評価するには、さらなる研究が必要である。研究チームは、特定のヘッドランプモジュール構成を調査し、治具の温度、動作環境、構造設計などの内部要因を評価して、調査結果を実用化に効果的に変換できるようにすることを計画している。