3D プリンティングとインダストリー 4.0: 製造革命の到来

出典：中関村オンライン

世界の製造業は変革を遂げており、メディアではインダストリー 4.0 と呼ばれることがよくあります。この変化を推進しているのは、人工知能 (AI)、産業用 IoT (IIoT)、3D プリント、クラウドベースのプラットフォームなどの新しい製造技術の出現です。スマート製造技術への支出は、2023 年までに 3,000 億ドル近く増加し、年平均成長率は 12% になると予想されています。

工場はよりスマートになる
AIなどの先進技術やツールを単に導入するだけでは「スマートファクトリー」は実現できません。想像するほど簡単ではなく、コストも膨大です。過去数十年にわたり、製造企業は、プロセスの改善、透明性の向上、低コストで実行可能なオンデマンド製造イニシアチブの実装を目的として、アジャイル手法、エンタープライズリソース管理 (ERP)、およびその他の種類の IT システムの導入に数十億ドルを費やしてきました。しかし、このような投資による利益はすぐに得られるものではなく、工場の継続的な最適化と効率性の向上は一夜にして達成できるものではありません。

製造業が直面している多くの課題の 1 つは、ビジネスおよび経営のリーダーが互いにチェックし、バランスを取りながら、共同で意思決定を行うことです。彼らは多様なサプライヤーのエコシステム内で事業を展開しており、上級管理職はコンサルタントやその他の専門サービス企業からアドバイスを受けています。一方、業務リーダーは産業技術サプライヤーと連携しています。工場の生産性を解放し、インテリジェント技術ソリューションの適用をさらに拡大し、インダストリー4.0へのアップグレードを促進するためには、コストや収益などの即時の評価指標に重点を置く従来の製造業の現状を変える必要があります。

この基盤が整えば、インダストリー 4.0 ソリューションは、運用の透明性を高め、問題を予測して結果を制御する機能を提供することで、工場やサプライチェーンの効率を大幅に向上させるのに役立ちます。 5Gネットワークの普及後、産業用IoT（IIoT）デバイスとセンサーが大量に導入され、工場のビッグデータのソースになります。IIoTエコシステムによって生成されたデータは、AIによって迅速に処理され、ロボティックプロセスオートメーション（RPA）の最適化ソリューションが生成されます。このようにして、工場内の効率のボトルネックを予測して発見し、プロセスを大幅に改善して生産効率を高めることができます。

EY EMEIA アドバイザリーマーケットアンドソリューションリーダーの Andrew Cavney 氏は、次のように述べています。「インダストリー 4.0 は、工場を単にデジタル化するだけでなく、真にスマート化することです。この変革において最も重要な要素は管理者である可能性があります。インダストリー 4.0 テクノロジーは、既存のテクノロジーや設備を排除するのではなく、労働者、技術者、設備がより良い状態で稼働できるようにすることで、優れた製造方法を実現します。」

改良と新しい製造プロセスの使用は、インダストリー 4.0 の重要な要素であり続けます。研究によると、リーン生産方式とインダストリー 4.0 計画が完全に実装されると、生産リンクを分離するよりも低コストでより多くの相乗効果を達成できることがわかっています。最近の世界的な調査によると、従業員のほぼ 3 分の 2 は、AI によって面倒な作業がなくなり、意思決定が改善されるのであれば AI を歓迎すると答えています。しかし、雇用主の 5 分の 3 はまだ、従業員と AI の重要な役割について話し合っていません。したがって、上級管理職の意思決定も製造業変革の進捗に大きな影響を与えることになります。

製造業はより分散化される<br /> デジタル製造技術は、従来の集中型の大規模生産・製造の既存モデルを、より分散化されたモデルへと徐々に変化させます。従来の製造モデルは、製品コストを削減し、労働力の優位性を得るために、集中型の低コストのバッチ生産に重点を置いていますが、分散型モデルは、デジタルネットワークで接続された、より小規模で柔軟性と拡張性に優れた生産能力に依存しています。分散型製造モデルにより、サプライチェーンの長さ、複雑さ、コストが削減され、製品の迅速なカスタマイズと地域市場への対応力の強化が可能になります。

3D プリントはオンデマンド製造のトレンドに適応しやすい<br /> EYのグローバル・アディティブ・マニュファクチャリング・リーダーであるフランク・サーソン氏は、「量とコストの観点から、3Dプリンティングは依然として従来の大量生産に取って代わることはできませんが、部品を再設計して追加機能を実現したり、部品のグループをより複雑な部品に統合したりする点で独自の利点があり、それによってオーダーメイドの部品やアプリケーションをさらに促進することができます」と述べています。

3D プリント技術は分散型製造業の中核です。 3D プリント可能な材料の範囲は、プラスチックだけでなく、金属、樹脂、セラミックなどにも拡大し続けています。従来の成形、機械加工、鋳造プロセスと比較して、3D プリント技術はより複雑な形状を実現できます。積層造形技術は試作に広く使用されていますが、2019 年の調査では、より多くのメーカーが本格的な生産に 3D プリントを使い始めていることが報告されています。デジタルファイルから直接プロトタイプや部品を 3D プリントできるようになったことで、新しい Manufacturing as a Service (MaaS) ビジネスモデルが生まれ、メーカーはオンデマンド製造サービスを拡張して運用の柔軟性を高め、ビジネスコストを削減できるようになりました。

3D プリンティングは既存の従来の製造技術に取って代わることはありませんが、従来の減算型製造方法と連携した新しいプロセスになります。柔軟な製品カスタマイズ機能は、変化する消費者の需要に適しており、在庫と物流コストの要件が低く、需要に近い生産能力と短い納期を実現します。これらは、分散型生産環境がもたらすメリットのほんの一部にすぎません。

よりクリーンな材料とより少ない廃棄物<br /> 顧客、投資家、従業員、その他の利害関係者は、環境への影響を軽減し、エネルギーと天然資源を節約し、生産プロセスが地域社会にとって安全であることを実証する材料を製造業者が使用することを期待するようになっています。世界中の製造業者は、従来の物理的処理や高温処理などの古い技術に代わる持続可能な生産方法や製品に投資しています。これらのより持続可能な投資により、コスト削減と収益創出で約 20 億ドルの価値が生まれます。

クリーンマテリアル革命もその一環だ。炭素などの豊富なエネルギー源の役割は、ナノスケールエンジニアリングによって縮小され、希少で高価な金属に代わるグラフェンなどの新素材が生み出されています。グラフェンで作られた超軽量航空機は燃料コストを削減できる可能性がある。ボロフェンは、ホウ素原子が単層に配列したさまざまな結晶構造であり、より強力なリチウムイオン電池を製造するためのアノード材料として、また微小な原子や分子を検出するセンサーとして使用できる可能性のある新素材です。

極薄材料は、熱、光、電気に反応して変化したり進化したりできるものもあり、電池寿命を延ばしたり、太陽電池の効率を高めたり、海水の淡水化を可能にしたりできる可能性がある。自己修復材料は製品の寿命を延ばし、廃棄物を削減することができます。コンクリートの生産は世界の二酸化炭素排出量の7パーセントを占めており、研究室の科学者たちは、ナノスケールの粒子を操作したり、セメント中に石灰石を生成するバクテリアを利用したりして、より耐久性があり、資源をあまり消費しない製品を作る研究に取り組んでいる。

いくつかの研究によれば、将来的には原子や分子を操作して原子レベルの精度を達成し、より大きく複雑な物体を製造できるようになるかもしれないと示唆されており、これが分子製造の夢です。大まかに言えば、分子製造の概念は、特定の指示または状況下で分子が自己組織化し、配置し、ナノスケールのツールを生成することを想定しています。

一部の研究者は、自己組織化技術を使用して新しい材料を作成し、分子の操作と合成にプログラム可能なナノロボットの使用を検討しています。たとえば、フランスのフェムトST研究所の研究者たちは最近、ナノロボット製造システムを使用して、光ファイバーの端に直径わずか20ミクロンの小さな家を建てました。マンチェスター大学の科学者たちは、150個の炭素、水素、酸素、窒素原子でできたナノロボットを開発した。このロボットは、小さなロボットアームを使って個々の分子を動かしたり操作したりするようにプログラムできる。関連する発明により、10年から20年以内に分子ロボットが使用され始め、分子工場の組立ラインで分子や材料を組み立てることが可能になるだろう。

製造業のアップグレードとインダストリー4.0の推進はシステムレベルのプロジェクトであり、人工知能（AI）、産業用モノのインターネット（IIoT）、ビッグデータ、3Dプリント、新素材、新電池、ナノテクノロジー、分子製造などの一連の新技術が徐々に成熟し、商品化されて工場や作業場に導入されるでしょう。伝統的な製造業は消滅することはありませんが、私たちが必要とする商品をより効率的に、よりクリーンに、より持続的に、そしてオンデマンドで生産するようになります。

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