鉄のピストンヘッドを、鍛造から金属3Dプリンタに工法転換することにより、軽量化することができた事例をご紹介します。
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| 製品 | ピストンヘッド |
| 材種 | 3D造形用 鉄系材料 |
| サイズ | Φ77 x 33.5mm |
| 従来工法 | 鍛造＋機械加工 |
課題
・軽量化
・高温強度特性
・独自の設計ノウハウ
鍛造工法で素形材を製作しているため、形状（設計）の制限があります。
また、軽量化が重要となるため、アルミニウム鍛造材の採用を検討していましたが、高温強度に懸念があり、熱膨張率も大きいため独自の設計ノウハウが必要でした。
形状の自由度が高い工法となるため、軽量化が期待できる。その優位性を活用し、鉄系材料でもアルミより軽くできれば材料特性を活かしたピストンができるのではないか。
・鉄系材料でもアルミ並みの軽量化
・ピストン設計が容易になる
・性能の向上
従来工法（鍛造）による形状制約がない為、更なる軽量化が実現。
3Dモデルデータから直接製作する工法のため、
金型を使用しない。
そのため、抜き勾配を設ける必要がなく、
強度解析は必要となるが、ギリギリの軽量化が可能となる。
鉄系材料への変更(高機能化)
高温強度特性に優れた材料に変更できれば、
設計が変わり、性能向上も期待できる。
しかし、アルミから鉄へ変更した場合、本来は重量が重くなってしまう…
▼比重の違い
・アルミ：2.70g/cm3
・ 鉄 ：7.87g/cm3
AM技術を用いれば「比重以上の軽量化」が可能
ラティス構造を用いることで、潤滑油の保持もでき、シリンダーへのかじり防止に繋がる。
高温環境で使用されるピストンは材料の熱膨張が
大きく影響する。
ピストンヘッドの爆発側については、特に高温環境となり、熱膨張への影響が強い。
そのため、鉄系材料を使用できることは、設計に好影響を与える。
▼熱膨張係数の違い
・アルミ：23【10-6/℃】・ 鉄 ：12【10-6/℃】
ピストンは独自の設計ノウハウが必要
ピストンヘッドの爆発側については、
特に高温環境となるため、「ピストンカーブ」という独自の設計ノウハウが必要となる。径A＜径B
鉄系材料に置き換えることで、ゼロにすることはできないが、現状よりも小さい補正の設計が期待できる。
鉄系材料に変更したにも関わらず22％の軽量化に成功致しました。
更に材種を変更することで高温強度特性も向上し、
金型レス・熱膨張率も低いため、設計への好影響が期待できます。
当サイトを運営する東金属産業株式会社は、金属3Dプリンタにおいて、航空宇宙や産業機器等の幅広い業種向けに、そしてギヤ、ノズル、フレーム、インペラ等、多種多様な形状の部品向けに、累計5,000点以上の造形実績がございます。
そのため、金属3Dプリンタの強みだけでなく限界までも熟知しており、塑性加工・切削などからの工法転換により期待できる効果や起こりうる問題点、そして金属3Dプリンタが得意とする形状についてもノウハウがあるため、設計（DfAM）段階でのご提案を積極的に行っております。
既存工法のコスト・納期や形状限界にお困りの方、金属3Dプリンタへの工法転換によりどれくらい改善効果が期待できるのか知りたいという方は、お気軽にご相談ください。
