インダストリー4.0は革命ではないが、3Dプリンティングは革命である理由

過去7年間、「インダストリー4.0」という言葉が広く流通してきました。これは実際には2011年に連邦政府によって造られた用語であり、「第4次産業革命」を意味します。しかし、それは本当に革命と呼べるのでしょうか?言い換えれば、ブロックチェーンなどの新しい技術が1970年代や1980年代から工業生産に使用されてきたことを考えると、インダストリー4.0はプロセスとリンクの最適化の加速を表す「だけ」です。では、インダストリー4.0は革命的なマイルストーンと言えるのでしょうか？人々が製品を作る方法、場所、時期を根本的に変える付加製造プロセスである 3D プリンティングは、「革命」という言葉にふさわしいのではないでしょうか。急速に発展する市場には、高速、低コスト、高性能の新しい 3D プリンターがどんどん登場していますが、その影響についてまだ理解している人は多くありません。
この記事の第一部のテーマは「なぜインダストリー4.0は革命ではないが、積層造形（3Dプリンティング）は革命であるのか」であり、第2部のテーマは「新しい3Dテクノロジーに代表される現在の製造革命がなぜ、そしてどのように急速に発展しているのか」です。

上の画像は、3D プリントプラットフォーム 3D Hubs © 3dhubs.com 上の世界中の 3D プリントサービスプロバイダーの数を示しています。
「アディティブマニュファクチャリング（3D プリンティング）」が「インダストリー 4.0」よりも「革命」と呼ばれるに値する理由

第一次産業革命は200年以上前の蒸気機関の発明によって始まり、第二次産業革命では組立ライン生産が導入され、第三次産業革命ではコンピューター支援機械と産業用ロボットの使用が起こりました。インダストリー 4.0 は、4 番目の主要イベントとして、工業生産と最新のネットワーク化された情報通信技術の統合を特徴としています。

Wikipedia によれば、強力なプロセッサ、デジタルセンサー、完全なプロセスのリアルタイムネットワーク化など、インテリジェントでデジタルネットワーク化されたシステムがインダストリー 4.0 の基礎を形成します。これらのテクノロジーの助けにより、自己組織化生産が可能になります。「インダストリー 4.0 では、人、機械、工場、物流、製品が相互に直接通信し、連携することができます。ネットワーク化により、1 つの生産ステップだけでなく、バリューチェーン全体を最適化できます。ネットワークは、製品ライフサイクルのすべての段階をカバーする必要があります。」(Wikipedia を参照)

コンサルティング会社デロイトは、今日の企業はインダストリー4.0を迅速に導入せざるを得ない状況にあると考えています。パーソナライゼーションの傾向と急速に変化する需要（つまり、不安定な需要）により、企業は生産の柔軟性を高め、新しいビジネスモデルを採用することで対応する必要があります。

3Dプリントがインダストリー4.0を飛躍的に前進させる

デロイトは、柔軟性、ダイナミズム、デジタル化が新製品の第一原則であり、エンドユーザーに直接浸透するべきだと考えています。スマートファクトリーでは、機械の最適化やエネルギー消費の削減に加え、特定のアイテムが購入時にすでに個々のニーズに合わせて前例のない方法でカスタマイズされている可能性があります。最先端のセンサーを使用し、摩耗を自動的に監視し、機械のメンテナンスを完璧にする: インダストリー 4.0 は、予測メンテナンスを通じてすべてのシステムの最大効率と「ダウンタイムゼロ」を達成することを意味します。

たとえば、インターネット上のオンライン設定ツールを通じて靴をカスタマイズできます。

3Dプリンターを使ってアディダスのランニングシューズの靴底を作る

今では「大量生産」も可能になりました。つい最近まで、この方法は非経済的だと考えられていたでしょう。しかし、デジタル化とスマートマシンの普及により、複数のコンポーネントから個別の製品を生産したり、たとえばパーソナライズされた生産に 3D プリンターを使用したプロトタイプの直接生産が可能になりました。 (デロイト、「インダストリー 4.0: 生産におけるマイルストーン」を参照)

3Dプリンターによる積層造形だけが「大量生産」を実現できる

デロイトは記事の議論の中で3Dプリンティングについても言及していたが、全体的な文脈には合っていなかった。正しい答えは次のようになります。

3D プリンティングだけが、企業がパーソナライズされた大量生産 (バッチ生産) を実現できるようにします。

これらの企業が依然として他の製造方法、つまり減法工法（フライス加工など）や成形工法（鋳造など）を使用している限り、柔軟性をまったく活用できず、センサーやネットワークは「大量生産」の費用対効果に大きな役割を果たすことができません。新しいツールを作るには時間とお金がかかります。プラントを個々の要件に合わせて頻繁に調整する必要がある場合、設置コストと時間が大幅に増加します。従来の生産方法は依然としてこのジレンマに直面しています。つまり、機械の最適化ではもはや大きな成果が得られず、最大限の利益を得るにはツールと機械に過負荷をかける必要があるのです。このため、大規模生産は依然として企業の中心地に集中しています。たとえば、BMW はドイツのベルリンにある唯一の拠点で 50 年以上にわたってオートバイを生産しています。経済学者たちは驚く必要はない。なぜなら、1928年にすでに会計士ヒュー・マレンバッハがウィーンでの有名な演説で固定費の性質と影響を指摘していたからだ。

3Dプリントは大量生産のルールを変えている

彼がウィーンで講演した当時、3Dプリンターはまだ発明されていませんでした。ヒューマレンバッハは正しい。ツールや他の機械を使用せずに一般的な製品や付加的な製品の生産を実現することによってのみ、機械の高稼働率と大規模生産の必要性を排除することができます。 3D プリンターを使用する場合、製品のアイデンティティはコストの基準ではなくなります。

大量生産と大量カスタマイズ:
画像提供: (左) Carlos Delgado、Wikimedia Commons。 (右): Formlabs

製品あたりのコストに変化を与えることなく、同じ製造プラットフォーム上でまったく異なるモデルを生産できます。もちろん、3Dプリンターの機械コストも製品に換算して固定費にする必要があります。企業が類似製品の大量生産能力を限界まで押し上げる必要がない場合にのみ、経済的圧力は発生しません。

これはインダストリー4.0ではありませんが、3Dプリンターによって「大量生産」とカスタマイズされたパーソナライズされた製品を実現できるという事実です。これまでの 3 つのいわゆる産業革命では、切削加工機と工具の最適化、または上流工程と下流工程の最適化のみが行われました。

この意味では、これまでに起こった産業革命は 4 回ではなく、 1 回だけです。これまでの成果を産業革命の第一段階としてまとめることができます。蒸気機関の発明は産業界に大きな技術的進歩をもたらし、製品が革新的であっても大量生産が常により効率的である新しい時代を導きました。

古典派経済学の創始者アダム・スミスは、彼の主著『国富論』の中で、産業革命の第一段階の理論モデルを提示しました。最初の章では、ピンの生産を例に挙げて分業の役割を説明しています。ピン製造の特定の工程を実行するために特定の機械を使用しなければ、その技術の訓練を受けていない労働者は「ピンを 20 本どころか、1 本も作れないことは確実」です。しかし、小規模な専門製造工場では、合計 10 人の労働者が 1 日に 48,000 本のピンを製造でき、つまり労働者 1 人あたり 1 日に 4,800 本のピンを製造できることになります。「そして、分業の結果として生じるあらゆる産業の効率性のこの大幅な向上は、国民に繁栄をもたらし、それは国民の最下層にさえ感じられる」（アダム・スミス『国富論』第 1 章：国家繁栄の性質と原因についての探求、1776 年、Wikipedia も参照）。

産業革命の第二段階は、積層造形と 3D プリンティングであるべきです。なぜなら、これによって大規模な個人カスタマイズが可能になり、生産の方法、手法、時間、場所、生産者などが根本的に変わるからです。

3D プリンターの使用により、従来の分業の利点は時代遅れになったようです。積層造形においては、製品の同一性はもはやコスト削減の利点を持たず、非同一性はもはやコストに影響を与える欠点にはなりません。同じ製造プラットフォームで、さまざまなピンやボタンなどを作成できます。言い換えれば、アダム・スミスが『国富論』を出版してから 238 年が経ち、新たな生産理論を開発する時期が来ているのです。下の写真をご覧ください。

3Dプリンティングによってもたらされる変化は、インダストリー4.0よりも根本的なものだ

先ほど説明したように、3D プリンティングは、インダストリー 4.0 を飛躍的に前進させ、いわゆるパーソナライズされた大量生産やマスカスタマイゼーションを実現するのに役立ちます。しかし、3D プリントの成果はこれをはるかに超えています。どの工業企業も処理深度に関する問題を抱えています。製造するか購入するかを決定する際、企業はより多くの選択肢を持つ必要があります。製造するか購入するかという問題に加えて、特定の従来製品を積層造形プロセスで置き換えるかどうか、3D プリンター自体に投資するか外部のサービスプロバイダーを使用するかなどの選択肢もあります。企業が3Dプリンターを自社で製造できれば、市場力は高まります。これは複雑な組み合わせであり、コストの観点から、すべての個別の製品のさまざまな製造プロセスの「損益分岐点」を考慮する必要があります。

AUMAT（ゾーリンゲン）などの機械メーカーは、社内で製造するか、外部から購入するかという問題に日々直面しています。実際、機械の部品は自社の 3D プリンターから作られることが多くなってきています。

もうひとつ例を挙げましょう。2年前、エアバスの子会社であるApworksは金属3Dプリント技術を使用して、Light Riderと呼ばれる35キロの電動バイクを作成し、世界を驚かせました。先ほど申し上げたように、BMW は 50 年間ドイツで唯一のオートバイ製造会社でした。現在、航空機メーカーは 3D プリント技術を使用して、最大 500 個のコピーを印刷できるオートバイを製造できます。

かつてはオートバイメーカーの専売特許だったが、エアバスは現在、3Dプリンターを使って500台のオートバイを生産できるようになった。

3D プリントされたオートバイは、産業環境におけるこの新しい製造技術の範囲を示しています。これまでこの業界に関わっていなかったサプライヤーでも、3D プリンターの汎用性を活用して新しい市場を開拓できるようになりました。しかし、3D プリントの利点は、生産をカスタマイズできるだけでなく、デザイナーやモデラーに、より良い製品を作るための自由度が増すことです。ライトライダーフレームはアルミニウム合金製で、重さはわずか5kgです。 3Dプリンティングは自動車業界で資源の節約と軽量化を実現しました。エアバスのような航空機メーカーはこれを理解しており、単なる「付加製造の先駆者」ではありません。さらに先を見据えると、前述の「バイク」は、ディーラーが各ライダーの体型にフィットするバイクを印刷するためにすぐに使用されるようになるかもしれません。 3D プリントにより、必要なときに必要な場所で製品を生産できるようになります。国際宇宙ステーション（ISS）には3Dプリンターもあるので、宇宙飛行士が道具を必要とするときは、それを印刷するだけです。

このツールモデルはNASAによって国際宇宙ステーション（ISS）に送られ、搭載された3Dプリンターを使用して現地で製造されました。 ©NASA

この例は、倉庫保管と長距離輸送が過去のものになったことを示しています。 3Dプリンターにより即時生産が可能になります。スポーツシューズメーカーのアディダスは、3Dプリンターを備えた生産ラインをドイツに戻しました。アディダスのスピードファクトリーでは、顧客の足を3Dスキャンして、顧客に適した靴底を生産することができます。これも「バッチ 1」の要件です。

こうした大規模な変化により、業界全体、市場、そして根本的な競争関係が変容しています。現在、Thingiverse や MyMiniFactory などの 3D モデルプラットフォームでは、顧客は何百万もの 3D モデルから必要なモデルを選択し、数秒でダウンロードして、自分のプリンターまたはサービスプロバイダーを使用して印刷することができます。 3Dhubs や Treatstock などの 3D プリントプラットフォームからサービスプロバイダーを見つけることができます。世界中には、このような 3D プリントサービスを提供する民間工場や大企業が何万社もあります。付加製造技術が進歩し続け、3D プリンターがより安価で高速かつ高性能になれば、いわゆる「民主化された生産」が現実のものとなるでしょう。

新しい 3D テクノロジーによって、製造革命がどのように、そしてなぜ勢いを増しているのでしょうか?

新しい 3D 印刷技術は、より良く、より安く、より速くという 3 つの基準を満たす必要があります。これらの基準が人々の予想よりも早く達成される可能性があることを示す兆候は数多くあります。

革新的な3Dプリントプロセスと材料がより良い結果をもたらす

積層造形には、従来のプロセスでは製造できない形状を実現できるという利点が常にありましたが、部品の強度、外観、製造の再現性などに関しても常に批判されてきました。現在、市場にはますます多くの新しい 3D 印刷プロセス、新しい材料、新しいソフトウェアが登場しており、一方では上記の要件が追いついていることを意味し、他方では全体的な技術の進歩も可能になっています。例えば、材料分野では、米国メーカーMarkforgedの3Dプリンターは、カーボンファイバーやケブラーなどの複合材料を加工でき、アルミニウムと同様の安定性を持っています。あるいは、高性能ポリマー PEEK 用の 3D プリンターを提供するドイツのメーカー Apium などです。この素材は300度までの耐熱性があり、人体に埋め込むことができます。

新しい 3D プリント技術は常に人々に驚きをもたらします。最近まで、フルカラープリンター (ZPrinter、3D Systems) はポリマー石膏の分野に限定されていました。しかし、昨年から、Stratasys J750 プリンターは、最大 36 万色に対応するマルチカラーインクジェット技術を採用し、異なる素材を組み合わせて印刷することもできるようになり、これまでにない品質を実現しています。

J750: さまざまな色と素材で 3D プリントされたアート。写真提供: ©stratasys.com

初のデスクトップマルチカラー 3D プリンターが発売されました。コンピューター大手のアップルもすぐ後に続いた。

常に焦点：金属

金属 3D プリンターの標準は、90 年代にアーヘンで発明された粉末ベッドベースのプロセス (DMLM = Direct Metal Laser Melting) です。さらに、新しいテクノロジーもあります。ベルリンゲフェルテックの 3DMP プロセスでは、アーク技術を使用して、表面処理によってさまざまな金属でできた大型のワークピースを製造していることは特筆に値します。また、非常に興味深いのは、イスラエルのメーカー XJet と、金属だけでなくセラミックも製造できる同社の特許取得済み NanoParticle Jetting (NPJ) 技術です。さらに、以前は ABS や PLA などのプラスチックの加工に使用されていた、いわゆる FDM (熱溶解積層法) プロセスが、金属にも使用できるようになりました。これにより、Desktop Metal と Markforged という 2 つのメーカーが、潜在的なテクノロジーリーダーとなる可能性があります。

FDM 技術を使用した 3D 金属印刷。写真提供: ©Markforged.com

3D プリント後には追加のプロセス (焼結など) が必要になりますが、このプロセスは 3D 金属プリントの新しい時代の到来を告げるでしょう。従来の金属加工業界は、積層造形の開発に細心の注意を払う必要があります。 3D プリント技術がもたらす産業革命は金属産業だけに限りません。

新しいスピード記録<br /> 3D プリンターを使用する場合、通常はより速く印刷したいと考えます。時間を節約しようとする試みのほとんどは、品質を犠牲にして行われます。たとえば射出成形と比較すると、3D プリントの速度は遅いですが、金型の作成にもコストと時間がかかることはよく知られています。それでも、高速印刷プロセスは、パーソナライズされた大量生産にとって間違いなく恩恵です。

Carbon3D の創設者であるジョセフ・デ・サイモン氏は、2015 年の TED 講演「もし 3D プリントが 100 倍速かったらどうなるか?」で初めて「スピードノイズ」という用語を提唱しました。》。 10分間のプレゼンテーションの間、M1と呼ばれる3Dプリンターが約10センチメートルの大きさの物体を印刷した。一方、アディダスは今年50台の機械を購入しており、年間10万足のパーソナライズされたスニーカーを生産できるようになる。

Carbon3D: 100 倍高速。写真提供: ©carbon3d.com

UNIZ の米国での導入は、光硬化プロセスにおいてこれまでで最速の結果を達成したことを示しました。 Kickstarter キャンペーン中、LCD (SLA) 技術を使用する zSLTV-T は、52.1 x 29.3 x 65.1 cm のサイズで 7000cc/時 (ソリッド) および 56000cc/時 (エンベロープ速度) の速度で印刷でき、5 分以内に 20 個の歯科模型を作成できます。（続きを読む...）

それでもまだ十分速くないなら、将来的には 3D プリントは数分や数時間ではなく、数秒で完了するでしょう。ローレンス・リバモア国立研究所は最近、ホログラフィック光場を使用してわずか数秒で完全な3次元形状を生成できる新しい技術を発表しました。研究者たちは、樹脂が入った容器に合計 3 本のレーザー光線を照射し、印刷する物体の 3D 光パターン (ホログラム) を生成することで、わずか 10 秒で構造を作成します (続きを読む...)。迅速な大量カスタマイズは、より高速なプリンターだけでなく、複数のデバイスを同時に使用したり、機器を自動化したりすることでも実現できます。 SLA デスクトップの先駆者である Formlabs は、Form Cell プリンターでまさにそれを実現したいと考えています。

大量カスタマイズのための Form Cell。写真提供: ©Formlabs.com

積層造形のコストは全体的に低下している<br /> 特許の期限切れは、多くの場合、新たな競合企業が現れ、プリンターの価格が下がるきっかけとなります。多くの 3D 印刷プロセスの特許が期限切れとなり、重大な影響が生じています。

記事で引用した初のフルカラー 3D プリンター「Da Vinci Color」の価格はわずか 3,600 ユーロですが、大型の物体を印刷できる FDM 3D プリンターは中国では数百ユーロで購入できます。新しい FDM 3D プリンターは、金属業界内で大幅な価格低下ももたらしています。

同じことが新しい 3D 金属印刷プロセスにも当てはまり、その一部は従来の粉末ベッドベースのプロセスよりも何倍も安価です。

いわゆる SLA (ステレオリソグラフィー) テクノロジーの分野では、Formlabs が SLA 印刷を手頃な価格にしました。これは特に歯科医や宝石商にとって素晴らしいニュースです。

先ほど触れたUNIZというメーカーは、見た目の品質が良いだけでなく、使い勝手も非常に良い高速機器を製造しています。 5分で20本の歯の模型を製作でき、機械の価格は1万ユーロ未満です。プロフェッショナルが制作し、安価でありながら、その結果は驚くべきものです。

これまでのところ、付加製造は、医療業界（人体インプラント、装具、補聴器）や航空業界（軽量化）など、その利点がすでに非常に明らかになっている特定の業界でのみ発展してきました。印刷コストが下がるにつれて、将来的にはほとんどの製造業で 3D プリンティングが採用されるようになるでしょう。

付加製造により、必要な設備投資はますます少なくなります。しかし、すべての企業が低コストで生産できれば、競争上の優位性が他の分野にも反映されることになります。将来の製品の価値は、製品のコンセプト、機能、デザイン、素材に大きく左右されるようになります。
出典: サンディ・スペース

著者のヴェルナー・コッホ氏は、ドイツの有名企業であるシーメンス社に長年勤務し、産業分野で豊富な業務経験を積んできました。その結果、ドイツのインダストリー4.0に関して最も直観的な観察力と深い洞察力を持っています。同社は2016年にドイツ3Dプリンティングネットワークアライアンス3D Netzwerkを設立し、ドイツの産業分野で3Dプリンティング技術を推進し、それを従来の産業と統合することに取り組んでいます。

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