デザインサイエンス研究を用いた高圧ダイカスト射出サブセットのケースベース製品開発

この論文概要は、['デザインサイエンス研究を用いた高圧ダイカスト射出サブセットのケースベース製品開発']という論文に基づいており、['FME Transactions']に発表されました。

1. 概要：

• タイトル：デザインサイエンス研究を用いた高圧ダイカスト射出サブセットのケースベース製品開発 (Case-Based Product Development of a High-Pressure Die Casting Injection Subset Using Design Science Research)
• 著者：マチルデ C. トジャル (Matilde C. Tojal)、F. J. G. シルバ (F. J. G. Silva)、R. D. S. G. カンピロ (R. D. S. G. Campilho)、アルナルド G. ピント (Arnaldo G. Pinto)、ルイス ピント フェレイラ (Luís Pinto Ferreira)
• 発行年：2022年
• 発行ジャーナル/学会：FME Transactions
• キーワード：製品開発 (Product Development); デザインサイエンス研究 (DSR); メンテナンス (Maintenance); 持続可能性 (Sustainability); ダイカスト (Die Casting); 生産性 (Productivity); FMEA; 摩耗分析 (Wear analysis).

2. 研究背景：

研究テーマの背景：

自動車産業は、現代社会の経済構造において重要な役割を果たしており、生産システム技術開発の最前線に位置しています。組織は、イノベーションと製品改善のために研究開発活動への資源投入を絶えず増やしています。スペアパーツの消費は、生産システム内における経済的および人的資源の消費の主な要因です。持続可能な製造は、経済的、環境的、社会的側面を考慮して、実行可能な生産を創出するパラダイムであり戦略です。メンテナンスは、戦略的、運用、戦術レベルだけでなく、長期的な成果に対する活動管理に不可欠であり、生産量、コスト、生産システム可用性、効率に影響を与えます。ダイカストは、金属加工産業で広く使用されていますが、特に高温にさらされる部品や装置に深刻な摩耗を引き起こします。特に、高圧ダイカストの射出ノズル領域は、頻繁な交換と生産性の損失のため注意が必要です。

既存研究の現状：

既存の研究では、主要なスペアパーツの選択と根本原因の特性評価のためのデータ収集の重要性を強調し、パレート分析、FMEA、石川ダイアグラムなどのツールを活用しています。製品開発の複雑さが増すにつれて、データに基づいた意思決定の必要性が高まっています。製品データ管理メンテナンスシステムは、対立する要因をよりよく理解するのに適していると考えられています。イノベーションと最適な性能/コスト比は、効果的なリスク管理とともに製品開発の重要な要素です。産業4.0におけるメンテナンス技術と効果的な人的資源管理も、持続可能性を高めるための主要な研究分野です。以前の研究では、最適なスペアパーツ管理のためのモデルと、データ収集やメンテナンスコストの増加など、持続可能なメンテナンスへの障壁が特定されています。デザインサイエンス研究 (DSR) は、複雑で不明確な問題を解決し、既存の製品から新しい製品を開発するための有用な方法論として認識されています。

研究の必要性：

ダイカストプロセスにおける射出ノズル領域とその金型接続部は、近年いくつかの変更があったにもかかわらず、依然として頻繁な交換、プロセス停止、生産性損失を経験しています。これは、特にこれらの重要な領域におけるプロセス効率を向上させるために、ノズルと接続領域に関する新しい概念の研究の緊急性を強調しています。現状は、高圧ダイカスト射出システム内でのスペアパーツ要求の削減、スペアパーツの寿命延長、取得コストの削減、および装置の是正メンテナンス時間の短縮の必要性を強調しています。

3. 研究目的と研究課題：

研究目的：

本論文の目的は、高圧ダイカスト射出システム内において、人的、機械/プロセス、またはサプライヤーレベルで発生する主要な問題の分析と緩和に資源を集中することにより、持続可能なメンテナンスをどのように達成できるかを示すことです。本研究は、デザインサイエンス研究 (DSR) を通じて新しい射出サブセットの概念を実装することによって得られる有益な結果を示すことを提案します。

主要な研究課題：

主要な研究課題は、デザインサイエンス研究 (DSR) 方法論を用いた高圧ダイカスト射出サブセットのケースベース製品開発です。これには、ザマック高圧ダイカスト射出機 (ZHPIM) 用の新しい射出サブセットの概念を開発および実装するための反復的なDSRプロセスが含まれます。

研究仮説：

新しい射出サブセットの概念の実装は、以下のような有益な結果をもたらすと仮説を立てています。

• 射出サブセットの消費量の削減。
• 取得コストの削減。
• 発生する廃棄物の削減。
• メンテナンス作業中の介入時間の短縮。
• 装置の稼働時間の増加。

4. 研究方法論

研究デザイン：

本研究では、デザインサイエンス研究 (DSR) を反復的な研究方法論として採用し、特にデザイン思考と既存のDSR段階を組み合わせたSiedhoff [35] のDSRプロセスを使用しました。DSRサイクルの開始点は、ケースベースの推論アプローチに従って、研究対象製品の初期設計でした。DSRサイクルは、探索的研究、問題の明確化、ソリューションの確立、およびソリューションの推奨につながる規範的研究で構成されていました。

データ収集方法：

データ収集には以下が含まれます。

• 要求の定量的関連性と取得コスト別のスペアパーツ消費量の分類表の作成 (表 1)。
• 緊急に研究すべきコンポーネントを特定するためのパレート分析 (図 1)。
• 問題の説明、原因、解決策、介入装置、および故障時間を提供するソフトウェアベースのタスク支援データ。
• ソフトウェアデータを補完するための製造プロセスの観察とモニタリング。
• SEMおよびEDSを用いた材料分析。
• 金属組織および硬度試験。

分析方法：

使用された分析方法は次のとおりです。

• 消費量と取得コストに基づいてスペアパーツの優先順位を付けるためのパレート分析 (図 1)。
• 最も高い故障と介入時間を示す故障を特定するためのFMEA。
• 研究結果を要約し、開発段階を導くための石川ダイアグラム (図 17)。
• ZIN摩耗特性評価のためのSEMおよびEDS分析 (図 18)。
• 微細組織の変化を評価するための金属組織分析。
• 硬度測定のためのロックウェルC硬度試験 (ISO 6508-1:2016)。
• システムおよび故障グループ別の介入分類の定量的分析 (表 2)。

研究対象と範囲：

研究対象は、鋼線ロープ端部にザマック5を射出するために使用されるザマック高圧ダイカスト射出機 (ZHPIM) でした。範囲は、ZHPIMの射出システム、特にザマック射出ノズル (ZIN) および関連部品を含む射出サブセットコンポーネントに焦点を当てました。本研究では、これらのコンポーネントのスペアパーツ消費量、故障モードを分析し、改善策を開発しました。

5. 主な研究結果：

主要な研究結果：

• パレート分析により、累積取得コストに基づいてSP01、SP03、SP06、SP09、SP10が最も緊急性の高いスペアパーツとして強調されました (図 1)。
• 射出システム介入は、全介入の43.4%を占め、成形セットが47.9%を占めました (表 2)。
• 射出セット内では、ZIN故障が介入の44.6%を占めました (表 2)。
• 摩耗と破損が主要なZIN故障モードとして特定されました (図 4)。
• DSR反復設計による設計変更によりモデル07が開発され、モデル07は過度の塑性変形に起因する摩耗を示し、以前のモデルと比較して大幅に改善された140日以上の稼働時間を達成しました (表 4)。
• 新しい射出サブセットの概念 (モデル07) は、製品効率の向上、スペアパーツ消費量の削減、スペアパーツ稼働時間の1100%増加、部品取得コストの58%削減、および是正メンテナンス時間の55%削減を達成しました。

データ解釈：

パレート分析は、研究の焦点を最もコストのかかるスペアパーツに効果的に向けました。介入の分類により、射出システム、特にZINが改善の主要な領域であることが明らかになりました。DSR方法論は、反復的な設計とテストを通じて、ZINの早期摩耗の問題に首尾よく対処しました。モデル01からモデル07への進展は、DSRが高圧ダイカストシステムの持続可能性と運用効率を向上させる大幅に改善された射出サブセットの開発に効果的であることを示しています。最終モデル07は、故障モードが脆性破壊から塑性変形摩耗に移行し、より予測可能で管理可能な摩耗プロセスを示しています。

図のリスト：

• 図 1. 累積取得コストによるスペアパーツ消費量のパレート分析 (総費用)。
• 図 2. 主要システム、セット、および作業グループ別のZHPIM装置構造。
• 図 3. ワークステーション、射出システム、およびカップリングシステムと、対応する主要コンポーネントおよび位置。
• 図 4. 研究期間中のZIN故障モード数のパレート分析。
• 図 5. カップリングシステム要素の技術的な問題によって引き起こされた射出不良。
• 図 6. 加熱セットと成形セットの内部部品の保護プレートの位置。
• 図 7. カップリングシステムチューニングスロットの極端な摩耗。
• 図 8. ZHPIMで見つかったカップリングシステムとワッシャーグループを接続するダウエルピンのクリアランス。
• 図 9. 早期カップリングおよびチューニングシステムの摩耗に対する介入プロセスの影響。
• 図 10. 加熱セットとZINの間の接触部のシールに関する技術的な問題。
• 図 11. コイルヒーターを機能不全にする加熱セットの過度の腐食による故障モード。
• 図 12. ZINとの下部フレームプレートの相互作用。
• 図 13. BFPとZIN射出接触領域間の接触点。
• 図 14. 幾何学的な問題は、破損による故障モードの主な原因として機能します。
• 図 15. 必要な動作状態に準拠したBFPからのICZ。
• 図 16. 摩耗と衝撃によるBFPのICZの不適合。
• 図 17. ZINの早期故障に関する石川ダイアグラム。
• 図 18. ZINのSEM分析。
• 図 19. ピッティングによるZIN射出接触領域の故障モード。
• 図 20. スポルティングによるZIN射出接触領域の故障モード。
• 図 21. 早期破損の核生成と伝播に対する送りマークの影響。

6. Conclusion:

6. 結論：

主な結果の要約：

本研究では、デザインサイエンス研究を通じてZHPIM用の新しい射出サブセットの概念を首尾よく開発しました。この開発により、スペアパーツの消費量、取得コスト、廃棄物、およびメンテナンス介入時間の削減、ならびに装置の稼働時間とより安全な介入プロセスの増加を含む大幅な改善がもたらされました。新しいモデル07 ZINは、稼働時間が大幅に増加し、より予測可能な摩耗モードへの移行を示しました。

研究の学術的意義：

本研究は、ダイカスト製品開発と持続可能なメンテナンスの文脈におけるデザインサイエンス研究方法論の効果的な応用を実証しています。高圧ダイカストシステムにおける重要なコンポーネントを改善するためのDSR実装の詳細なケーススタディを提供することにより、知識体系に貢献しています。また、本研究は、反復設計、データ駆動型分析、および製品開発へのメンテナンス重視のアプローチの重要性を強調しています。

実用的な意義：

本研究の実用的な意義は、ダイカスト産業にとって重要です。開発された射出サブセットの概念は、高圧ダイカスト作業におけるスペアパーツ、メンテナンス、およびダウンタイムに関連するコストを削減するための具体的なソリューションを提供します。ZINの寿命の延長と最適化されたメンテナンス手順は、より持続可能で効率的な製造プロセスに貢献します。採用された体系的なアプローチは、ダイカストおよび類似の産業内の他のコンポーネントおよびプロセスを改善するために適用できます。

研究の限界

論文では、研究の限界を明示的に述べていません。

7. 今後のフォローアップ研究：

• フォローアップ研究の方向性：
  本論文では、介入プロセスの最適化に関するモデル05で得られた利点をさらに追求することを提案しています。ICZの早期摩耗に関するより具体的な分析が推奨されます。選択された鋼材特性に関連する材料挙動に関する追加調査も提案されています。
• さらなる探求が必要な領域：
  さらなる探求は、DSR方法論と開発された射出サブセットの概念を、ZHPIMまたは同様のダイカストマシン内の他の主要コンポーネントに適用することに焦点を当てることができます。ZINおよびポンプアダプターの耐摩耗性と性能をさらに向上させるために、さまざまな材料と製造プロセスを調査することもできます。

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9. 著作権：

• この資料は、"マチルデ C. トジャル (Matilde C. Tojal)、F. J. G. シルバ (F. J. G. Silva)、R. D. S. G. カンピロ (R. D. S. G. Campilho)、アルナルド G. ピント (Arnaldo G. Pinto)、ルイス ピント フェレイラ (Luís Pinto Ferreira)"の論文："デザインサイエンス研究を用いた高圧ダイカスト射出サブセットのケースベース製品開発 (Case-Based Product Development of a High-Pressure Die Casting Injection Subset Using Design Science Research)"に基づいています。
• 論文ソース：doi: 10.5937/fme2201032T

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