国内外における積層造形標準化の現状と発展に向けた提案

著者: Sun Dan、Zou Dingjin、Zhang Liang 勤務先: 上海材料研究所株式会社、上海工程材料応用評価重点実験室出典: Journal of Mechanical Engineering Materials、2024、第 6 号

積層造形（3Dプリント）技術は、デジタルモデルを基盤として、材料を一層ずつ積み重ねて部品を製造する新興製造技術です。複雑な構造をニアネットシェイプで形成できるという利点があり、「第3次産業革命」を牽引する重要な技術の一つとなっています。近年、付加製造製品は航空、宇宙、医療、自動車、金型、電気機械などの分野で実証されており、付加製造技術が徐々に成熟し、現代の製造業の急速な最適化と変革、およびインダストリー4.0への着実な進歩の重要な原動力となっていることを示しています。

積層造形技術が成熟するにつれて、積層造形関連産業は急速な発展を遂げており、直面する標準化の問題がますます顕著になっています。標準は、産業発展の過程において不可欠な新たな技術進歩要素として、製造業の高品質な発展と産業の高度化を促進する上で重要な役割を果たします。欧米などの先進国・地域では、積層造形標準システムの構築を常に重視しており、米国材料試験協会積層造形技術委員会（ASTM F42）、欧州標準化委員会（CEN）、英国規格協会（BSI）、ドイツ技術者協会（VDI）、オランダ標準化機構（NEN）などの標準化組織を設立し、積層造形特有の用語、特殊材料、試験方法、プロセス制御、部品設計など5つの側面で多くの標準化作業を実施し、積層造形技術の革新と産業の発展を促進してきました。我が国も積極的に付加製造の標準化作業を実施しており、国家標準の策定を担当する国家付加製造標準化技術委員会（SAC/TC 562）を2016年4月に設立しました。しかし、現在、海外の完全な付加製造産業チェーンと完璧な関連標準システムと比較すると、わが国は依然として付加製造標準が不足しており、国際標準の追跡と変革が遅れているなどの問題を抱えています。そのため、付加製造産業の秩序を規制し、付加製造産業の発展を導くために、付加製造の標準化にさらに注意を払う必要があります。

積層造形産業の発展における標準の主導的役割をよりよく促進するために、著者は国内外の積層造形標準システムの枠組みを整理し、国内外の積層造形標準の発表をまとめ、実際の状況に基づいて国内の積層造形標準化作業の発展動向を分析し、我が国の高品質な積層造形標準システムの構築、主要な技術標準と自主標準の策定を促進し、科学的で合理的な発展提案を提供します。

1 国際積層造形標準システムフレームワーク<br /> 国際標準化機構（ISO）は、2011年に積層造形標準化技術委員会（ISO/TC 261）を設立し、同年、積層造形技術分野における標準化作業を共同で実施するためにASTM F42と協力協定を締結しました。反復作業を減らし、企業やメーカーの積層造形関連製品の認知度を高め、グローバル積層造形標準化の円滑な推進を図るため、ISO/TC261とASTM F42は、図1に示すように、2016年に「グローバル積層造形標準のフレームワーク」を共同で発表しました。このフレームワークでは、積層造形標準を、一般積層造形標準、分類積層造形標準、特殊積層造形標準の 3 つのカテゴリに分類しています。最上位の一般的な付加製造規格は、付加製造に関係するさまざまな概念、一般的なテストと検査の要件、および一般的な製品適用範囲を中心に開発されています。分類された付加製造規格は、さまざまな材料とプロセスを使用した付加製造製品の製造とテストを規制します。専用の付加製造規格は、さまざまな業界における特定の材料とプロセスの特定の用途に対する要件を定めています。

図1: ASTM F42とISO/TC 261が共同で発表したグローバル積層造形標準のフレームワーク
2 国際積層造形標準規格の発表<br /> 現在、設計、製造、加工、試験など多方面にわたる200以上の積層造形関連規格が国際的に発行されています。重要な規格の一部を表1に示します。同じオブジェクトに対して標準を設定する場合、異なる組織がそれぞれ異なる重点を置いていることは注目に値します。 ISOが制定した規格は、主に世界規模での積層造形技術の標準化を考慮した、適用範囲が広く、使用性が強い一般規格と分類規格がほとんどです。ASTM（非共同）が独自に制定した規格は、主に金属粉末の粉末床溶融結合技術分野に焦点を当てた専門規格で、一般規格は主にデータ形式と設計ガイドラインです。米国航空宇宙材料規格（AMS）は、自動車技術会（SAE）傘下の航空宇宙材料委員会が制定した材料規格で、比較的大きな割合の専門規格をカバーしており、主に航空宇宙分野で使用される金属積層造形粉末とプロセスを対象としており、材料の化学組成の制御に対する要求が高いです。

△表1 さまざまな組織によって開発されたいくつかの付加製造標準を分析すると、海外の標準の策定ではバリューチェーン内のさまざまなノード間の接続に重点が置かれ、設計から承認までのプロセス全体の閉ループが強調されていることがわかりました。また、海外における標準化活動の急速な進展は、標準化団体と企業や大学との緊密な連携により、実際のニーズに基づいて各分野の標準策定が進められている一方、企業や団体が生産現場で直面する実際の問題に基づいて自発的に標準を策定していることによるものでもある。たとえば、積層造形モデルの精度が徐々に向上するにつれて、最も広く使用されているステレオリソグラフィー（STL）ファイルは、高精度印刷の要件を満たすことができなくなりました。このため、Microsoft、Hewlett Packard、Shapeways、Autodesk、Dassault Systèmes、Netfabb、SLM Solutionsの7社が2015年4月に3MFアライアンスを設立し、積層造形設計用の3MFファイルを開発しました。STLファイルと比較して、3MFファイルは色、材質、テクスチャなど、より多くのモデル情報を提供できます。 3MFアライアンスは2022年現在、5つの規格を発表しており、海外でも積層造形の標準化を推進しています。

国内の積層造形標準の策定は、海外の経験と実績を参考にし、まず標準システムの枠組みを構築・改善し、標準を正確に分類し、各種標準の策定の優先順位を決定するとともに、国内の実情に基づいて改善を図り、国家標準の策定を主眼とし、各業界、地方、団体が必要に応じて補足的に標準を策定し、国内の積層造形標準化プロセスを共同で推進することができる。

3 国内積層造形標準システムフレームワーク<br /> わが国は、積層造形標準の策定を非常に重視しており、2014年にISO/TC 261の正式（P）メンバーになりました。国際標準の策定に参加すると同時に、用語、定義、プロセス方法、試験方法、品質評価、ソフトウェアシステム、関連技術サービスの分野での国家積層造形標準の策定と改訂を主に担当するSAC/TC 562も設立しました。標準の策定と実施を強化し、「標準化+先進製造」を通じてわが国の積層造形技術の優位性を国際競争力に変えることに努めています。また、国家標準管理委員会、工業情報化部、科学技術部、教育部などの部門は「付加製造標準試行行動計画（2020～2022年）」を発表し、2022年までに国の状況に基づき、国際基準に沿った新たな付加製造標準システムを基本的に確立することを提案し、付加製造標準の指導的役割を明確にした。

SAC/TC 562は、積層造形技術の発展によりよく適応するために、試験方法サブ技術委員会（SAC/TC 562/SC 1）、特殊材料ワーキンググループ（SAC/TC 562/WG 1）、データおよび設計ワーキンググループ（SAC/TC 562/WG 2）、トレーニングおよびサービスワーキンググループ（SAC/TC 562/WG 3）の1つのサブ技術委員会と3つの専門ワーキンググループを設立しました。我が国の積層造形技術の成熟度と標準化作業の進捗状況に基づいて、図2に示すように、国内の積層造形標準システムのフレームワークを立ち上げました。我が国の付加製造標準システムの枠組みでは、標準を基本共通標準、主要技術標準、サービスおよびトレーニング標準の 3 つのカテゴリに分類しています。これらの 3 つのカテゴリの標準は、徐々に業界のアプリケーション標準に実装されます。基本的な共通規格は、積層造形業界を規制し、異なる組織や機関間のコミュニケーション障壁を減らし、従事者の健康と安全を確保し、良好な作業環境を作り出すことを目的としています。その内容には、用語、定義、設計図の形式などが含まれます。主要な技術標準は、主に原材料、プロセス、設備、ソフトウェア、試験方法に関するガイドラインを策定します。原材料標準は、金属粉末の粒度分布など、さまざまな積層造形技術で使用される原材料の物理的および化学的特性を正確に記述するために使用されます。プロセス標準は、さまざまなプロセスの手順と詳細を明確にし、製品の安定性を向上させるために使用されます。設備標準は、設備の信頼性と従事者の安全を確保するために使用されます。ソフトウェア標準は、主に設計とファイルのインポートを標準化し、モデルの汎用性を向上させるために使用されます。試験方法標準は、材料性能試験方法を統一して、試験結果をより直感的で信頼性の高いものにするために使用されます。サービスおよびトレーニング標準は、主に積層造形実務者に対する能力トレーニングに関係します。たとえば、調達標準では、取引の両当事者が、必要な商品の定義情報、原材料パラメータ、および最終性能パラメータを明確に定義する必要があります。このような標準の策定と適用により、顧客とサプライヤー間の紛争や論争を大幅に回避し、良好な市場環境を維持できます。

図2：SAC/TC 562が発表した国内積層造形標準システムの枠組み

4 国内積層造形標準規格の公開<br /> 2023年現在、国家標準情報公共サービスプラットフォーム上では、100件の積層造形関連標準が起草され、意見が求められ、検討され、承認され、実施されようとしています。そのうち、約70件の標準が国家標準化局によって管理および実施/推進されています。その内容は、図3に示すように、基本的な共通標準と特定の業界アプリケーション標準をカバーしており、主に材料標準が主流です。いくつかの重要な標準を表2に示します。

図3 積層造形に関する国家標準の割合表2 積層造形に関するいくつかの国家標準は、GB/T 35351-2017「積層造形用語」を例に、基本共通標準に導入されています。この標準は、積層造形に関係する概念、プロセス、アプリケーション、特性の用語と定義を統一し、プロセスに応じて積層造形をバインダージェッティング、指向性エネルギー堆積、材料押し出し、材料ジェッティング、粉末床溶融結合、薄材料積層、ステレオリソグラフィーの7つのカテゴリに分類し、国際的に主流の分類方法と一致しています。

試験規格のうち、公表されている規格は主に積層造形金属粉末の性能特性評価方法と積層造形部品の寸法精度や機械的特性の評価方法に基づいており、策定中の規格は主に非破壊検査規格である。

特殊材料の規格のうち、すでに発行され、制定されている規格は、基本的に既存の積層造形用金属材料のほとんどをカバーしており、主に粉末床用の金属粉末原料です。最も広く使用されているのは、アルミニウム合金粉末、チタン合金粉末、コバルトクロム合金粉末、ニッケル基高温合金粉末、金型鋼粉末です。このタイプの規格は、業界にとって大きな関心事である金属粉末の包装、マーキング、輸送、保管、リサイクルに関する関連仕様もカバーしています。さらに、現在の規格から、我が国の積層造形材料規格は現在、主に金属材料を対象としており、非金属材料に関する関連規格は依然としてさらに改善する必要があることがわかります。

主要な技術標準（プロセス標準、技術標準を含む）のうち、公開されている標準は主に、粉末床溶融結合、指向性エネルギー堆積、エネルギー堆積-ミリング複合などの積層製造プロセスと技術仕様に基づいています。たとえば、GB/T 39247-2020「添加物の金属部品の熱処理プロセスの仕様」は、主要な技術基準のポスト処理部分に属します。安定したパフォーマンスを備えた製造された金属部品。GB/T 43233-2023「添加剤システムの可能性と信頼性のための航空宇宙ベッド融解装置の受け入れテスト」、その最も重要なコンテンツは、航空宇宙産業において航空宇宙科学産業を含む、航空宇宙科学産業の使用など、航空宇宙科学産業を含む、航空宇宙科学産業のレーザーパウダーベッド融解装置の識別テストプロセスを標準化することです。 ALテストと再識別など、この標準に従って関連する機器の形式の参照を提供し、識別作業の信頼性を大幅に改善し、業界で実装されています。

データ、設計、サービス標準の中で、GB/T 37461-2019「付加製造クラウドサービスプラットフォームモデル仕様」を例として説明します。この標準は、製造サービスモデル、オンライン設計製造サービスモデル、委託設計製造サービスモデル、オンライン購入サービスモデルにおける基本プロセス、消費者取引注文とプラットフォーム生産注文要件、付加製造生産サービスプロバイダーの審査メカニズム要件、消費者製品とサービスの評価要件などを規定しています。プラットフォーム構築のさまざまな機能を実現するための貴重な提案を提供し、生産端と消費端の間の障壁を打ち破り、付加製造クラウドサービスプラットフォームの標準化を促進し、プラットフォームが消費者とメーカーに優れたサービスを提供できるようにします。これら 2 種類の標準の策定と実装は、我が国の積層造形の統合と軽量化に向けた発展において重要な役割を果たしており、我が国のインテリジェント製造とデジタル製造への変革における重要なステップです。

我が国は、積層造形に関する国家規格の数を増やし、積層造形に関する国家規格システムの枠組みを改善することに加え、国際化を通じて国際的な規模での発言力と影響力を強化することにも取り組んでいます。 2021年、我が国が主導した国際規格ISO/IEC 23510:2021「情報技術3Dプリントおよびスキャン積層造形サービスプラットフォーム（AMSP）アーキテクチャ」が発表されました。この規格の発表は、我が国の積層造形に関する国際規格設定の分野でゼロからの突破口を開き、その影響力を拡大し、我が国の積層造形標準化における大きな進歩を反映しています。さらに、国際規格 ISO/ASTM 52902 には、我が国が提案した積層造形精度検出方法も組み込まれています。 2022年現在、70人以上の中国の専門家と学者がISO / TC 261国際会議に参加し、200件近くの国際標準関連の投票が行われており、積層造形の国際標準化における中国の重要性はますます顕著になっています。

我が国は国家標準の国際化を積極的に推進するとともに、機械標準JB、航空宇宙産業標準QJ、医療標準YY、航空産業標準HBなど、積層造形分野の業界、地方、団体標準の継続的な開発と改善にも取り組んでいます。 2023年現在、140以上の付加製造業界、地域、グループの標準が発行されており、そのうち最も多くの標準が医療分野に適用され、合計62となっています。図 4 に示すように、医療業界の標準のほとんどは、付加製造における複雑な構造のニアネットシェイプ形成の利点により、補助装置とインプラント用となっています。業界、地域、グループの標準の策定と実施は、積層造形分野の発展特性をよく反映しており、我が国の積層造形標準化作業の発展を促進します。

5 結論 付加製造はスマート製造の重要な部分です。積層造形技術と産業が成熟するにつれ、積層造形製品の「製造可能」から「使用可能」、そして「安全で安定した使用」への飛躍を促進し、航空、宇宙、電子情報、医療などの分野での積層造形部品の大規模応用と産業チェーン全体の健全で安定した発展を継続的に促進するために、積層造形標準の策定と実施が迫られています。現在、国際付加製造標準システムフレームワークは、付加製造標準を一般付加製造標準、分類付加製造標準、特殊付加製造標準に分類しています。国内付加製造標準システムフレームワークは、付加製造標準を基本共通標準、主要技術標準、サービスおよびトレーニング標準に分類し、この3つのカテゴリを徐々に業界アプリケーション標準に実装することを提案しています。現在、国内の積層造形標準化作業の発展傾向は、国家標準システムの枠組みを改善し、国家標準の国際化を推進し、積層造形分野における業界標準、地方標準、団体標準の策定と実施を継続的に推進することです。

「積層造形標準化パイロット行動計画（2020-2022）」では、「積層造形標準化システムの構築と改善」の必要性が明確に指摘されており、積層造形技術の革新と産業化の現在のニーズから出発して、将来の発展動向を科学的に判断し、我が国の積層造形標準化システムの構築と改善を加速し、国際的に適用可能な積層造形標準化システムの枠組みと開発ロードマップをベンチマークします。現在の国際基準と国内基準を比較すると、我が国は積層造形の標準化において多くの重要な成果を達成しているものの、まだ改善が必要な分野が数多くあることがわかります。この目的のため、我が国の付加製造標準システムの構築に向けて、以下の提案がなされています。

（１）業界の需要に応えて、積層造形に関する国家標準システムを継続的に改善していきます。主要な技術標準にはデータと設計標準が比較的少なく、原材料標準は主に金属とその合金であり、非金属材料の標準は比較的少ない。プロセスと設備標準における粉末床溶融結合と直接金属堆積以外の積層製造プロセスに関する標準の策定をさらに強化する必要があり、試験方法の標準はまだ大規模な適用が不足している。

（２）特定産業の特殊な発展ニーズに応え、国家標準の向上を図るとともに、主導的かつ競争力のある団体標準の確立を積極的に推進する。グループ標準の策定と実施を通じて、航空、宇宙、造船、鉄道輸送設備、自動車、原子力産業、電力設備、バイオメディカル、家電、金型、鋳造など、特定の業界の特殊な応用標準要件を満たすように、積層造形のさまざまな応用分野の開発が標準化されています。

（３）付加製造規格に関する人材育成制度を積極的に整備する。 2023年に公布された「標準化人材育成特別行動計画（2023～2025年）」と全面的に連携し、標準化人材の専門能力評価メカニズムを確立し、標準編集、実施、サービスの専門家グループを育成し、積層造形標準の専門レベルを継続的に向上させ、我が国の積層造形標準の健全かつ安定した発展を促進します。

国内外における積層造形標準化の現状と発展に向けた提案

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