3Dプリントは万能薬ではないが、FDM技術はそれほど低くはない

著者: 李剛

はじめに: 第四次産業革命と製造業の革新の名の下に、3D プリント技術はかつて注目を集めました。しかし、市場規模が小さい (世界で数百億ドル) ため、実務家は将来を明確に見通すことができないようです。GE、HP、シーメンスなどの大手フォーチュン 500 企業も変革を推進していますが、3D プリントは何でもできるという印象を与える一方で、何もできないようにも見えます。

人物の肖像画を3Dプリントすることでどんな価値が生まれるのでしょうか？

3Dプリント技術で家を建てる

今日この記事を書く目的は非常にシンプルです。私たちは毎日、ロケットの印刷、車の印刷、家の印刷、人間の関節の印刷、細胞の印刷、文化遺産の印刷、家具の印刷などに関するニュースを目にしています。3Dプリントは万能のように思えますが、これらのニュースの技術的応用が概念の誇大宣伝なのか、将来の方向性なのかは、私を含めて一般の人にとっては実際には判断が難しいです。これらの技術をどのように活用すべきか、どこから始めるべきかは、依然として答えるのが難しい質問です。

FDM技術はさまざまな色でオブジェクトを印刷します

したがって、この記事の本来の意図は、誰もが3Dプリント技術をより合理的かつ客観的に理解し、技術の応用を理解できるようにすることです。私は以前、フルカラー3Dプリントについて「カラーマネジメントの限界に挑戦し、3Dプリントカラーオブジェクトの秘密を明らかにする」という記事を書きました。今日は、3Dプリント技術の中で最も使いやすく、最も基本的な技術であるFDM技術について主にお話しします。以下は、過去6年間のFDM技術と製品に関する私の理解、およびDBSやKang Shifuなど、FDMを極限までプレイしてきた私の周りの友人たちと組み合わされており、FDM技術に対する理解が深まりました。

著者は3DシステムCubeで印刷された最初の小さなボトルを見た

まず、皆さんに概念を共有したいと思います。3Dプリント技術の科学的な名前は積層造形であり、これは一種の技術の総称です。さまざまな技術原理、材料、用途に応じて、技術の種類は7つの主要なカテゴリに分けられ、数十の小さなサブ技術があります。これらの技術の共通点は、3次元モデルを2次元スライスデータに離散化し、次に固化した材料を層ごとに積み重ねたり焼結したりして、最終的に3次元データを3次元オブジェクトに変換することです。

FDMデュアルヘッド2色印刷による2色モデル

3Dプリント技術は、決して万能ではありません。客観的に言えば、もともとラピッドプロトタイピングを実現するために発明されました。技術と材料の発展に伴い、現在は産業化された直接製造に向けて発展しています。インダストリー4.0であれ、国が提唱する「中国製造2025」であれ、この技術は切り離せないものです。この技術は、従来の機械加工、金型射出成形、金属射出成形（MIM）などの技術プロセスと同様に、より複雑で最適化された設計、単品および小ロット処理に対応でき、一定の技術的特徴があり、他のプロセスと補完する必要があります。現時点では、3Dプリント技術が従来のプロセスに取って代わることができるとは想定できません。顧客のカスタマイズニーズ、ラピッドプロトタイピング、最適化された設計を満たす迅速な処理プロセスと技術として理解できます。

2011年以前のFDMプリンターはこんな感じでした

私たちが最も接触する可能性が高い3Dプリントのサブテクノロジーの1つは、FDMテクノロジー（熱溶解積層法）です。使用される材料のほとんどは、安価で安定したPLA、ABSなどのポリマーフィラメントですが、複合炭素繊維、ナイロン、PEEK、PC、PPなどのより優れた物理的特性を持つ材料もあります。このテクノロジーの敷居が低いため、最も安価なハードウェアのコストは数百元ですが、産業用途に位置付けられるFDM機器のコストは数百万です。ただし、このテクノロジーは基本的すぎて技術的な敷居がないと考える人はまだ多く、レーザー焼結技術、射出成形技術、光硬化技術と比較すると、少し低いですが、そうは思いません。

3Dプリントと航空宇宙の最も一般的な事例は、航空機のエンジンブレードや燃料噴射部品の3Dプリントです。しかし、中国東方航空のテクノロジー企業はすでに、FDM 3Dプリント技術を使用して、航空機の客室内の部品の修理と交換を行っています。使用されている材料は、米国連邦航空局によって認定されたULTEM 9085で、優れた強度対重量比と難燃性を備えています。

イースタン航空テクノロジー社、FDM技術を使用して座席マガジンラックを印刷

2017年現在、中国東方航空科技有限公司の付加製造研究室は、30種類以上の客室部品を開発し、航空機客室内で組み立てられる完成部品を500個以上生産しており、航空機の標準部品の迅速な製造とカスタマイズ部品の設計、開発、生産を実現し、これまで脆弱な部品の発注サイクルが長く、発注コストが高いという問題を解決しました。

イースタン・アビエーション・テクノロジーは、FDM技術を使用して、飛行マニュアルを参照するためのiPadスタンドを印刷します。

前回私が中国東方航空整備会社にインタビューしたとき、同社は航空機客室内装部品の製造に Stratasys Fortus 450 を使用していました。この装置 1 台ですでにかなりの経済的利益が生まれています。

イースタン・アビエーション・テクノロジーは、FDM技術を使用して、飛行マニュアルを参照するためのiPadスタンドを印刷します。

そのため、私たちのほとんどは、FDM 技術と材料に関する理解がまだ比較的初期段階にあります。しかし、実際のアプリケーションでは、一定の生産能力を備えた FDM 技術 3D プリンターは、すでに実験から商用への移行を完了しています。

自動車産業の規模や生産額は製造業において極めて重要な位置を占めており、自動車の生産・製造も多くの変革を遂げています。生産ラインでは、最適化部門は生産の中断を防ぐだけでなく、工具や治具の最適化と試作も完了させる必要があります。多くの自動車メーカーが同様の問題に直面すると思います。

北京ベンツは、FDM技術3Dプリントを使用して工具治具を最適化します

北京ベンツの工具店で印刷されたゲージモデル

北京ベンツは、ツール固定具やゲージの設計を最適化するために FDM 技術の 3D プリンターを使用していることが分かっています。一方、ゼネラルモーターズは 30 年以上にわたって製品開発に 3D プリントを使用しており、過去 10 年間で 3D プリント技術を使用して 25 万個以上の部品を製造してきました。

ユニバーサルは3Dプリンターを使用して備品を印刷します

金属3Dプリントで直接製造された金属部品、設計の最適化がより重要

新しい部品設計により、従来の部品に比べて重量が40%軽減され、機械的強度が20%向上しました。従来の8つの組み立て部品が1つに削減され、組み立て不要の一体成形を実現しました。

BMW i8ロードスターのソフトトップは3Dプリントされたアルミニウム部品で作られており、Z字型に折りたたむことができます。粉末床金属3Dプリント技術で製造された軽量ブラケットも、i8ロードスターの量産とともに量産分野に参入しました。

XEVはFDM技術を使用して電気自動車の車体構造と内装部品を印刷し、3Dプリント生産ラインを出力します

これらの大手メーカーに加え、中国の電気自動車メーカーも3Dプリント技術を使って自動車を製造している。世界初の量産3Dプリント電気自動車LSEVは、イタリアの電気自動車メーカーX Electrical Vehicle（XEV）が中国の3DプリントメーカーPolymakerと協力して製造している。ただし、XEVの主な事業は3Dプリント自動車製造ソリューションの輸出であると理解されている。

XEVの内装部品も3Dプリント

自動車業界では、ほぼすべての自動車会社が 3D プリント技術を活用して、設計検証と最終的な生産効率を積極的に最適化し、最終的には部品の製造に活用しています。自動車業界では、金属 3D プリント技術だけでなく、大規模な FDM 技術や、MarkForged のカーボンファイバー 3D プリンターなどのプロ仕様の FDM プリンターも必要になることが予想されます。

金属 3D プリントに関して、業界のほとんどの人は、SLM 技術 (金属粉末のレーザー焼結) または EBM (金属粉末の電子ビーム焼結) 技術が主流であると考えています。ただし、この技術を備えた産業グレードの 3D プリンターを使用するためのハードルは、まだ比較的高いです。

FDM技術とMIMプロセスを組み合わせて金属部品を印刷する

FDM 技術では金属部品も製造できます。現在、FDM 技術を使用して製造される金属部品には 2 つの主要なカテゴリがあります。1 つは、FDM 技術を使用してロストワックス法で鋳造できる金型を印刷し、その後従来の鋳造プロセスを使用して少量の金属部品を製造する方法です。

FDM技術とMIMプロセスを組み合わせた金属部品の印刷、焼結後の金属部品の完成

もう 1 つのタイプのプロセスは、FDM テクノロジーと MIM テクノロジーを組み合わせたもので、Desktop Metal や MarkForged などのソリューションを使用して、金属射出成形材料を直接印刷し、洗浄して焼結し、最終的に金属部品を製造するものです。

FDM 技術と MIM プロセスを組み合わせて金属部品を印刷します (左: 金属部品、右: 緑色のブランク)

MarkForged Metal Xで印刷された金属部品

MarkForged Metal Xで印刷された金属部品

金属鋳造用のFDM技術で印刷されたPolyCast材料

金属鋳造用のFDM技術で印刷されたPolyCast材料

金属鋳造用のFDM技術で印刷されたPolyCast材料

鋳造であれ、金属射出成形であれ、伝統的な技術、材料、FDM技術を組み合わせたものです。そのため、FDM技術は現在、金属部品の製造と加工に使用できます。利点は、ハードウェアの柔軟性が高く、コストが低いことです。

PEEK、学名ポリエーテルエーテルケトン、英語名ポリエーテルエーテルケトン（略してPEEK）は、分子の主鎖に鎖リンクを含む線状芳香族ポリマー化合物です。その構造単位はオキシ-p-フェニレン-オキシ-カルボニル-p-フェニレンであり、半結晶性の熱可塑性プラスチックです。

FDM技術でPEEK部品を印刷

ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）樹脂は、優れた性能を持つ特殊エンジニアリングプラスチックです。他の特殊エンジニアリングプラスチックと比較して、より多くの顕著な利点があります。260度の高温に耐えることができ、優れた機械的性質、良好な自己潤滑性、耐化学腐食性、難燃性、耐剥離性、耐摩耗性を備えていますが、強硝酸と濃硫酸には耐性がなく、耐放射線性があります。その優れた機械的特性は、ハイエンド機械、原子力工学、航空などの技術に使用できます。

FDM技術でPEEK部品を印刷

PEEKは、優れた物理的特性を持つだけでなく、非常に優れた生体適合性も備えており、チタン合金のように人体インプラントとして使用できる素材です。

FDM技術でPEEK部品を印刷

現在、FDM技術を採用した多くの企業がPEEK材料用の3Dプリンターを発売し、優れた性能を持つ熱可塑性材料であるPEEKを組み合わせて、パーソナライズされた部品を加工・生産しています。例えば、ドイツのApiumは、PEEKを加工するために、高温、恒温、高精度の加工能力を必要としています。

先ほど、一定の生産能力を持つ工業用FDM技術を搭載した3Dプリンターの応用価値についてお話ししました。ここでは、一般的なデスクトップFDM 3Dプリンターを創作に使用した3つの例を挙げます。デスクトップマシンは価格も使用閾値も非常に低いため、ほとんどの個人が使用できます。ただし、一部の人はそれらを使用して大きな作品を作成できますが、私のように小さなものしか作れない人もいます。プロのプレイヤーの手にかかれば、それらは依然として大きな価値を生み出すことができます。これは、FDM技術を搭載した3Dプリンターが低いのではなく、ほとんどの人がその価値を最大化していないことを再び証明しています。

@康康康水傅が作った 1:1 アイアンマンアーマー

@康康康湿傅は、FDM 技術の 3D プリンターを使用して、着用可能なインタラクティブな 1:1 アイアンマンアーマーの開発と製造に 10 年近くを費やしました。このプロセスで、彼は膨大な労力とエネルギーを注ぎました。完成品を見ると、これが最も一般的な FDM 3D プリンターを使用して完成した開発と製造のセットであるとは想像しがたいです。

すべての部品はFDM技術3Dプリンターで印刷されています

塗装後のアイアンマンのアーマーパーツ

FDM技術の3Dプリンターを使用して印刷されます

この過程で、@康康康湿傅は FDM 技術の 3D プリンターを使用して多数の映画小道具の開発作業を完了し、3D プリントと映画およびテレビの物理小道具開発に関するあらゆる経験と技術的蓄積を蓄積しました。

2015年、アーティストの劉永奇はアーティストの欧昊に協力して機械外骨格を設計しました。この機械外骨格は3次元で設計され、装備一式の80％の部品は数十台のFDM 3Dプリンターで昼夜を問わず印刷され、精密に組み立てられ、未来の戦士の先駆的な技術感覚を表現しました。

機械式外骨格を印刷するための FDM 技術 3D プリンター

FDM 印刷技術を使用して作られた機械式外骨格

2015年に制作されたもので、3Dプリント業界でこのプロジェクトに注目する人は多くありませんでした。Ou Haoが着用している機械式外骨格のほとんどの部品は、FDM 3Dプリンターで作られています。表面処理を一切行っていないため、ざらつきや違和感はありません。これを極限まで実現するには、FDM技術を非常によく理解している必要があります。

Ou Hao の MV に登場する機械式外骨格の小道具

3D プリントとデザインについて、プロジェクトリーダーの劉勇奇氏は次のように認識しています。「デザインという言葉はバウハウスによって定義されたとよく言われます。誰が定義したにせよ、デザインは実際にはその文脈で生まれました。産業革命と 2 つの世界大戦という偉大な時代により、人々は生産効率を上げる必要がありました。デザインは緊急の目標となり、ツールと材料の新たな変化を引き起こしました。人々はさまざまな機器を発明し、さまざまな業界でより速く「より良い」生産に従事しました。したがって、デザインは最初からコンセプト指向ではなく目的指向でした。3D プリントは新しいツールの発明であり、それをどのように使用するかという経験的な方法が 3D プリントデザインです。3D プリントの材料特性、特徴、メカニズム、効率性は、産業機器と材料に関するこれまでの理解を絶えず浄化する必要があります。したがって、3D プリントは間違いなくより多くのデザイナーに役立ちますが、特定のバランスを崩すこともあります。たとえば、私がよく考えるのは、伝統的な産業は保存すべきか、破壊すべきかという問題です。」

最近、張飛印刷は、曽后易鐘インタラクティブデバイスを正式にリリースしました。昨年開始されたプロジェクトは、一時的に終了しました。この鐘のレプリカセットは、オリジナルにほぼ近い外観で、音も出せます。プロセス全体は主にFDM 3D印刷技術に基づいており、インタラクティブチップの使用によってサポートされ、最終的に2000年以上前の鐘と同じ音を出すインタラクティブメディアデバイスを実現しました。

3Dプリントされたチャイムインタラクティブデバイス

世界的に有名な「曽后儀の鐘」をオリジナルの参考モデルとして使用し、国の重要な工芸品を尊重しながら、より現代的な感覚の3Dプリント鐘を革新しました。牛鐘の形状は曽后易の牛鐘を踏襲しているが、記念として鐘体の銘文が「北京理工大学芸術デザイン学院」に置き換えられている。

FDM 3Dプリント技術を使用して機械モデルを製造する

FDM 3Dプリント技術を使用してモデルを製造する

張飛印刷はこれまで、FDM 3D 印刷技術を使用して、多数のアートインスタレーションや作品を制作してきました。その中には、「馬に乗った張飛」、「ブルースリー」、「マリリンモンロー」など、数え切れないほど多くの作品があります。毎年、彼は学生を指導して FDM 3D プリンターを使用して卒業作品を制作しています。最後の作品は私たちを歴史のその時代へと連れ戻し、芸術と革新、芸術とテクノロジーについて再考させます。

結論：私の見解をもう一度述べさせてください。3D プリントは万能ではありません。また、FDM 技術による 3D プリントは、誰もが想像し認識しているほどローエンドではありません。この技術をどこで使用すべきか、そして最終的に価値をもたらすために技術と材料の特性をどのように最大限に発揮するかについて、もっと考える必要があります。しかし、私たちが目にした結果の裏には、例外なく、ユーザーとそのチームが、クリエイティブやデザインのレベルでの思考、テクノロジーの理解、そして最終的な洗練された加工や塗装など、先進技術と伝統的な職人技の利点を組み合わせた多大な努力を注いでいます。これがイノベーションの鍵だと私は考えていますので、ぜひ、革新的な加工の時代に畏敬の念を持って参加させてください。

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