スタンピングと機械加工: 金属デバイスにはどちらを選択しますか?

ダフネ・アレン 2018年3月30日

あなたは金属製の医療機器を開発しており、予算、納期、設計上の考慮事項などのバランスを調整しています。 プレス加工と機械加工のどちらのプロセスを選択しますか?MD+DI金属製造のベテラン、MICRO 執行副社長の Steve Santoro 氏に、2 つのプロセスを比較し、金属製造の将来に期待するよう依頼しました。 Santoro は 2002 年から MICRO に入社し、キャリア全体を通じて受託製造業界に携わってきました。

MD+DI: 医療機器に関して、スタンピングと機械加工の基本的な違いは何ですか?

サントロ:スタンピングと機械加工を検討する際の主な決定要因は、使用される部品と材料の形状と組み合わせたコンポーネントのフィット感、形状、機能に関係します。 医療機器が無制限の使用回数を想定して設計されている場合、耐久性をサポートする複雑な部品を製造する機械加工が最も効果的です。 1 回だけ使用する製品の場合は、耐久性が低くなる傾向にある精密な部品を製造できるため、スタンピングの方が良い方法です。

量も意思決定プロセスにおいて重要な要因となる可能性があります。 結紮クリップなどのコンポーネントが週に数百万個必要な場合、これはスタンピングで簡単に実現できます。 このような量の機械を加工するには、100 台のマシニング センターが必要になる場合があります。 したがって、機械加工によるこの程度の拡大は、資本支出の観点から現実的ではない可能性があります。

工具のコストも考慮すべき点です。 たとえば、デバイスに +/-0.0005 インチの厳しい公差が必要で、週に 3000 ～ 5000 個の生産量がある場合、通常は、より汎用性があり、精度が高い機械加工が最適なテクノロジーとなります。 適切なマシニング センターが利用可能であれば、部品の形状に合わせてプログラムするだけで済みます。 これは、コストがかかることに加えて、設計と製造に時間がかかる順送スタンピング金型とは大きく対照的です。

部品の形状も重要な考慮事項です。 一部のコンポーネントにはスタンプを作成できない場合があります。 たとえば、厚さ 1/8 インチ、直径 0.040 の穴のある完全硬質 304 ステンレス鋼で作られた部品はスタンプできません。 その直径でその材料を突き刺すのに必要な荷重に耐えることができるパンチ材料はありません。 この場合、レーザー技術と組み合わせた機械加工が最も効果的です。

MD+DI:どちらかのテクノロジーによって最もよく解決できる市場のニーズ/リクエストはありますか?

サントロ: MICRO は幅広いクライアントをサポートしているため、クライアントのニーズや最終目標により適したテクノロジーがいくつかあります。 たとえば、使い捨てデバイスは再利用可能なデバイスに比べて堅牢性が低く、構築コストが大幅に低い傾向があるため、スタンピングは、使い捨てデバイスを設計しているクライアントにとって価値があります。 一方、機械加工は、繰り返しの使用に耐える必要があるため、再利用可能なデバイスの開発に適していますが、この耐久性にはコストが高くなる傾向があります。 金属射出成形 (MIM) または MIM プラス機械加工は、価格と耐久性の点で魅力的な中間点を提供します。

MD+DI: 素材の選択に違いはありますか?

サントロ:医療機器の開発にスタンピングと機械加工のどちらが最適なアプローチであるかについては、最も効果的かつ効率的な結果を得るには、材料の厚さと材料の硬度を考慮する必要があります。 たとえば、材料の厚さに関係するため、部品全体で厚さを均一にする必要があるため、スタンピングには制限が生じる可能性があります。 材料の硬度に関しては、事実上あらゆる硬度を加工できます。 スタンピングでは、成形中に亀裂が発生する可能性を考慮して、材料の硬度をより慎重に考慮する必要があります。 また、多くの場合、チタンはインプラントに最適な材料であり、CT スキャンに最適です。 チタンはワイヤー、ロッド、シートの形状で入手可能です。 ただし、ほとんどのスタンピング操作に必要な連続ストリップでは一般的に利用できません。

【右画像：刻印部分】

材料の選択には限界があります。 一般に、ほとんどの赤い金属、ステンレス鋼、チタン (ワイヤー)、冷間圧延鋼をスタンピングできます。 一般的に注意すべき点は、ゲージが重くなり、硬度が高くなるほど、スタンプするのが難しくなるということです。

ほとんどの医療用スタンピングは 302、304、17-4、または 17-7 ステンレス鋼で作られています。 MICRO では、最大 0.060 インチの厚さだけでなく、フルハードテンパーまでの市販の全種類のテンパーをスタンプ加工しています。フルハードテンパーまでのすべての同じ材料に機械加工を施すことができます。 また、スタンピング可能な材料から極めて正確な公差で非常に厚いブランクから複雑な形状を作成することに関しては、はるかに多くの機能を提供します。 ただし、機械加工の場合は一般にユニットあたりのコストが高くなるため、コストを考慮する必要があります。

MICRO では、最大 220 トンの金属スタンピング プレスを 50 台以上保有しており、その中には毎分最大 1200 ストロークの速度で稼働する Bruderer の 30 ～ 60 トンの高速プレスが 30 台以上含まれています。 ほとんどの製品には最新のセンサー技術が搭載されています。 部品は通常、バラした状態、またはオープンリール構成で供給されます。

MD+DI: 精密設計やデバイスの強度に違いはありますか?

サントロ:製品設計者がスタンピングを選択する場合、複雑な順送金型の潜在的なコストを考慮すると、間違いの余地はほとんどありません。 したがって、設計プロセスの早い段階で製造業者によって設計がレビューされ、承認されることが重要です。

また、機械加工されたコンポーネントを使用して製品が設計されると、基本的な設計を変更せずにその部品をスタンピングとして再設計してコストを削減することは非常に困難になる場合があることにも注意してください。

MIM または MIM プラス機械加工は、完全に機械加工された部品とコストの点で中間点を提供します。

上: 機械加工されたスロットを備えた MIM パーツ

MD+DI: 各テクノロジーは長年にわたってどのように最新化されてきましたか?

サントロ:シチズンは最近、スイスターン加工とレーザー切断を 1 つの高度な機械に組み合わせました。 特にチューブ製造に適した Citizen L200 CNC マシニング センターは、スイス式 7 軸 CNC 旋盤と統合型 400 W レーザー カッターを組み合わせています。 スロットや穴をレーザーで切断し、同時に異なる外径を加工するため、セットアップ時間、二次加工、取り扱いコストが削減されます。

ロボット工学はスタンピング センターやマシニング センターに組み込まれており、所要時間を短縮し、反復的な作業における人的ミスを減らしています。

MD+DI: 特定の二次プロセスまたは仕上げステップにはどちらの方が適していますか?

サントロ:二次プロセスはケースバイケースで対処する必要があります。 これは、製品設計段階での量と初期コストの理由から、必要に応じて指示および設計されない限り、機械加工とスタンピングの問題ではない可能性があります。

部品の形状によって、二次プロセスのステップが決まる場合があります。 たとえば、部品の形状により、必要に応じて一括不動態化が可能になる場合や、不動態化のために部品をラックに保管することが必要になる場合があります。 これらは、打ち抜き加工であるか機械加工であるかに関係なく、非常に異なるコストを伴う非常に異なるプロセスです（ほとんどの場合、バルクの方がより低くなります）。

それにもかかわらず、多くの場合、脱脂や選択メッキなどの自動化された二次プロセスを容易にするために部品をキャリア ストリップ上に残すことができるため、スタンピングは二次作業や自動化に適している可能性があります。 これは、ねじ付きナットの溶接、銀接点の追加、レーザーマーキング、研磨など、スタンピングでは実行できない二次的な操作の実行にも役立ちます。

MD+DI: どちらかのテクノロジーで解決できるユーザーの課題はありますか?

サントロ:機械加工されたコンポーネントを使用することで開発速度が向上します。 専用のツールがないことを考慮すると、通常は、スタンプ部品ではなく、機械加工部品で設計変更を行って開発サンプルを取得する方が高速です。

上: PEM 加工部品

MD+DI: 今後 5 年間で各テクノロジーはどのように変化しますか? 20年？

精密電解加工 (PEM) は、材料の選択、表面仕上げなどの点で上記のいずれよりもいくつかの利点を提供する革新的な新しい技術です。これは、PEM 機械と機械を組み合わせた強力な非接触金属成形プロセスです。電解質処理ユニット、発電機、およびオペレーター制御ステーション。 PEM は、電流と導電性電解質 (塩水) に浸した振動ツールを使用して、液化によって金属を溶解します。 金属が溶解すると、プラスに帯電したワークピース (アノード) がマイナスに帯電したツール (カソード) の形になります。 その結果、バリのない高品質の部品が得られます。 また、電極または「ツール」が陽極または「ワークピース」に接触することがないため、最終部品の摩耗はありません。 (PEM 部品については右を、プロセスについては以下の図を参照してください。)

PEM の利点と機能:

上: 精密電気化学加工 (PEM) の図

MD+DI: 3D プリンティングはどちらかのテクノロジーに取って代わるのでしょうか?

サントロ:積層造形の品質が向上するにつれて、少量の機械加工がある程度失われることが予想されます。 一方、スタンピングは低コストで大量生産のプロセスであり、当面は影響を受ける可能性は低いです。

詳細については、4 月 18 ～ 19 日に BIOMEDevice ボストン ブース #317 で開催される MICRO をご覧ください。

[すべての画像提供：MICRO]

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