解説 | 3Dプリンティングの開発動向と課題について簡単に解説

出典: International Metal Processing Online

3D プリンティングまたは積層造形は、材料を使用して 3D モデルデータをオブジェクトに層ごとに印刷するプロセスです。これは、材料を選択的に除去する従来の減算製造技術とは逆です。 3D プリント技術は、さまざまな利点があるため、徐々に業界のゲームチェンジャーとなってきました。

ほとんどの積層製造システムでは、3D コンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアで作成されたデジタル設計図が使用されます。付加製造により、従来の機械加工方法では製造が難しい複雑な形状や構造を製造できます。

主な付加製造技術は 8 つあり、それぞれプラスチックから金属合金まで異なる材料を使用します。材料押し出しは、主にプラスチックを建築材料として使用する、最も安価で最も人気のある技術です。対照的に、直接金属堆積法と粉末床溶融結合法は、主に高精度、高強度の金属部品を印刷するために使用される、より高価な技術です。

3D プリントは大量生産の代替技術としてはまだ使用されていませんが、現在では多くの分野で試作に広く使用されており、開発コストを大幅に削減できます。 3Dプリンティングは航空宇宙分野でも大きな優位性を示しており、精密部品の1回限りの製造による経済効果を大きく変えました。 3D プリンティングは現在、特に建築や医療の分野で新たな文脈で研究されています。

3D プリント市場はどれくらい大きいのでしょうか?
2017年、3Dプリンティング業界の価値は2013年の30億ドルから70億ドルに増加しました。 3D プリンティング市場への世界的な支出は、2025 年までに 200 億ドルを超えるでしょう。

現在、3D プリンティングの最大の応用分野は、民生用電子機器と自動車産業です。 3D プリンターの最も一般的な用途は、部品の直接製造です。 2017 年には、販売された 3D プリンターの約 30% が部品の直接印刷に使用されましたが、これは 10 年前のわずか 4% と比較して大幅に増加しており、直接部品製造は 3D 印刷の最も急速に成長している用途となっています。次に多かった用途は視覚補助とデモンストレーションモデルで、3D 印刷システムへの総支出の 20% を占めました。 3D プリンターの 5 分の 1 は家電業界からのものであり、自動車業界は 20% 未満を占め、医療、航空、工業用途がそれに続きます。

3D プリンティングは定着しつつあります。しかし、主な影響は今後 3 ～ 5 年で現れるでしょう。産業用 3D プリンティング市場は、個人用またはデスクトップシステムの市場と同じ速度ではありませんが、着実に成長しています。したがって、この業界は伝統的な製造業に直接的な脅威を与えるものではなく、それがもたらす変化は革命的というよりは進化的なものになる可能性が高い。しかし、3D プリント技術の早期導入から得られた証拠は、特定の業界にとって、3D プリントの「破壊力」が確かに大きいことを示唆しています。

3Dプリントの4つの大きなトレンド
1. 次々と新しい素材が登場する<br /> 3D プリント材料への研究開発投資のペースは止まることはありません。金属 3D プリントでは、新しい合金と化合物によりコストが削減され、金属プリントの効率が向上します。超硬合金、炭素化合物、バインダー金属で結合された微細な炭化物粒子で構成されています。ドイツで開発されたカーバイドオブジェクトは、バインダージェッティングを使用して印刷することができ、強度と耐久性の両方を備えたオブジェクトを生成できます。セメント化合物、バイオプリンティング、バイオ構造、さらにはパスタからケーキまでの食品製造など、その他の材料の研究も進行中です...材料ファミリーは拡大していくでしょう。

2. 産業用 3D プリンティングは拡大を続けている<br /> 産業用 3D プリンティングの応用は飛躍的に進歩しています。 HP は産業用印刷分野に参入し、フォームファクター、サイズと形状を指定するハードウェア、生産量の面で産業用 3D 印刷プラットフォームを拡張します。 HP が掲げる目標は、カスタム部品の印刷速度を大幅に向上させ、3D 印刷が民生用電子機器、大量生産品、大量生産エンジニアリングの製造プロセスの標準的な一部となる可能性を現実のものにすることです。

3. 3Dプリントが医療の主流に
3D プリンティングはすでに医療の分野で使用されていますが、まだ目新しいものとして見られています。しかし、今後 1 ～ 2 年以内に、3D プリントされたインプラントは臨床試験の第一段階を完了し、ヘルスケア製品ポートフォリオの標準的な一部となるでしょう。バイオプリンティングでは、移植用臓器の印刷は10年以上前から行われており、多くの臨床試験も始まっていますが、バイオプリントされた製品は、新しい薬剤化合物や医療技術のテストと評価に使用され始めるでしょう。

4. 巨大3Dプリンターは概念実証を超えるこれまで、エンジニアリングや建築などの大規模な用途向けに、注目を集める「大型プリンター」が少数登場してきました。この段階では、これらのマシンのほとんどは概念実証 (POC) 製品です。しかし、今後 2 年間で、多数の大型または超大型プラットフォームの 3D プリンターが大量生産に利用できるようになるでしょう。

3Dプリントの3つの大きな課題
1. 材料プリンターから部品を取り出すことは簡単ですが、3D プリントは非常にユニークで複雑な形状を生成することができます。しかし、3D プリントされた部品の多くは、従来の方法で製造された部品ほどの性能を発揮しないことは誰もが認めざるを得ません。その大きな理由は、材料特性に関する長年の問題です。現在、3Dプリントに使用される材料のほとんどは比較的単一であり、純粋なポリマーは特定の用途でのみ役割を果たし、その用途は厳しく制限されています。これが、業界が複合材料と複合印刷技術を追求している理由です。「複合材料」は、将来も主要な研究方向になります。

2. デザインあなたが今いる部屋の周りを見回すと、ほとんどのものは非常にシンプルな方法で作られています。私たちは、単純な設計で考えるように「訓練」されてきました。たとえば、大きな材料から始めて、それを段階的に加工して目的の部品に仕上げることに慣れていますが、このような考え方は 3D プリントを使用する最善の方法ではありません。製造部門の従業員に新しい設計ツールの使い方を教えるには、デザイン思考の再構築と再トレーニングが大量に必要になります。ジェネレーティブデザインとトポロジー最適化ツールにより 3D プリントのワークフローは容易になりましたが、まだ多くの進歩が必要です。

3. 正確性と信頼性
3D プリント技術により、物流が簡単になります。たとえば、北京で特定の部品が必要な場合、広州からデータモデルを送信するだけで、北京で直接印刷できます。広州で印刷してから北京に送る必要はありません。これにより、時間、労力、コストが節約されます。しかし問題は、広州の 3D プリンターで印刷された部品が北京の 3D プリンターで印刷された部品と若干異なる可能性があることです。これは非常に難しい問題ですが、産業用機械の場合は、より優れた部品を購入し、閉ループシステムを採用することで、製造プロセスの信頼性と再現性を高めることができます。

これは 3D プリントメーカーにとって非常に大きな問題です。顧客に提供するすべての部品が確実に動作することを保証する必要があり、精度に対する要求が非常に高いからです。従来の製造業の効率化が進む一方で、3D プリンティング業界にはまだまだ発展の余地があることは注目に値します。

出典: International Metal Processing Online

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