3Dプリント技術により、未来の自動車のパーソナライズ製造が可能に

最近、市場調査会社アライド・マーケット・リサーチは、自動車業界における3Dプリント市場を予測するレポートを発表しました。報告書は、2022年までに世界の自動車産業の3Dプリント市場は23億9,100万米ドルに達すると指摘した。予測期間中、ヨーロッパが主要市場となり、アジア太平洋地域と北米がそれに続きます。

自動車会社は、主に新しい自動車モデルやツールの応用に 3D プリント技術を使用しています。自動車市場における競争がますます激しくなるにつれ、自動車メーカーは材料コストを削減し、効率を飛躍的に向上させるための新しい技術を求め始めています。そのため、研究開発費とイノベーション費用を削減するために、3Dプリント技術を採用し始めた自動車メーカーが増えています。 IDCは、2017年初頭に発表した「世界半期3Dプリンティング消費ガイド」の中で、収益の大部分を生み出す3Dプリンティング応用分野は産業グレード3Dプリンティングの分野に集中していると指摘した。たとえば、2016 年には、自動車の設計とラピッドプロトタイピングが最も大きな収益 (39 億ドル以上) に貢献しました。

3D プリンティングは、一般の人にとって理解しやすい一般的な用語です。業界用語では、3D プリンティングは「付加製造技術」と呼ばれ、従来の「減算製造」に相当します。 3D プリント技術により、製造の複雑さが大幅に軽減されます。このデジタル製造モデルでは、あらゆる形状の部品を生成するために複雑なプロセス、大型の工作機械、多数の人員を必要としないため、生産と製造をより広範囲の生産集団に拡張できます。

従来の技術と比較すると、従来の機械加工製造は大量生産が必要な大型部品に適しており、ほぼすべての分野で広く使用されています。現在、3Dプリントは複雑な形状の非機能部品の小ロットに適しており、主に自動車、航空宇宙などの分野でサンプルや金型の製造に使用されています。使用材料に関して言えば、従来の機械加工ではほとんどすべての材料を使用できますが、現在 3D 印刷技術で使用されている材料は主にプラスチック、感光性樹脂、金属粉末などの材料であり、より多くの制限が適用されます。技術的な利点は、材料利用率が95％を超え、廃棄物がほとんど発生せず、複雑な構造に適していることです。

製造プロセスに関して、3D プリント技術は破壊的な利点を示しています。
形状の複雑さ。従来の機械製造は、切削、穴あけ、フライス加工、研削、鋳造、鍛造などの基本的な減算製造プロセスの組み合わせに基づいていますが、3D プリント技術は、主に「階層化製造、層ごとに積み重ねる」プロセスを採用した統合成形技術です。 3D 設計ソフトウェアで設計されている限り、ほぼあらゆる複雑な形状を 3D プリント技術で製造できます。

複雑さのレベル。 3D プリンティング技術は、原子プリンティングや細胞プリンティングなどの従来の処理技術では実現が難しい複数のスケール (マクロ、メソ、マイクロ) を実現できます。

機能の複雑さ。複雑な構造の部品の場合、3Dプリント技術は全体的な印刷と成形を実現し、複雑な部品を分解して溶接することで生じる質量の増加と潜在的な品質欠陥を回避できます。複雑な部品の組み立ても不要になります。自動車部品に使用すると、重量を軽減できるだけでなく、組み立て時間を短縮し、部品の接続欠陥を変更できます。

下の図に示すように、ゼネラル・エレクトリック社は最近、新世代ターボプロップエンジン (ATP) のテストに成功しました。このエンジンはわずか 12 個の個別部品 (その 3 分の 1 以上がチタンで 3D プリント) で構成されており、元の 855 個の部品から大幅に削減され、重量が 5% 軽減され、燃費が 20% 向上し、出力が 10% 増加し、メンテナンスが簡素化されました。

3Dプリンティングは、仮想デジタル実体モデルを直接製品に変換することで、生産プロセスを大幅に簡素化し、研究開発コストを削減し、研究開発サイクルを短縮し、任意の複雑な構造部品の生産を可能にし、機能指向の製品設計に大きな推進力をもたらします。

自動車業界は大きな変化に直面しています。例えば、従来の内燃機関車は、純電気自動車、ハイブリッド車、水素燃料電池車などのクリーンエネルギー車へと変化しつつあります。同時に、自動車とインテリジェントネットワーク技術の融合はますます緊密になっています。自動車の「四つの近代化」の進展に伴い、自動車の外観、内装、構造などが変化しており、このプロセスは加速しています。こうした変更は革新的、パーソナライズ化され、小規模なものであることが多く、十分なサポートと支援を提供するには 3D 印刷技術が必要です。

現在、3D プリント技術は主に新型車に使用されており、以下の理由により大量生産できません。
1 3Dプリント技術は材料の性能に左右されますが、現在、材料の性能は十分に安定しておらず、材料の汎用性は比較的低いです。
2. コストが高い。産業用3Dプリンターの購入コストは数十万元から数千万元に及び、その高い適用コストは3Dプリント技術の普及と産業発展の大きなボトルネックとなっている。
3. 部品の設計、製造、応用は一人では行えません。自動車部品設計者、材料研究開発担当者、3D 設計者などのチームの協力が必要であり、自動車部品ごとに使用する材料も異なります。

自動車製造における 3D プリントの応用には、まずコストを削減しながら主要部品の材料研究開発と生産を解決する必要があります。 2017年12月、工業情報化部と11の部門は「付加製造産業発展行動計画（2017-2020）」を発表し、2020年までに我が国の付加製造産業の年間売上高は200億人民元を超え、年間平均成長率は30％以上になると明言しました。新車の設計および試作段階では、付加製造技術を使用して金型を使用しない設計と製造を実現し、開発サイクルを短縮する必要があります。付加製造技術は、複合成形に使用され、複雑で重要な部品の軽量化を実現し、特殊材料やプロセス設備など、産業チェーンの重要な部分における主要なコア技術は国際レベルと同期して発展し、一部の分野は国際先進レベルに達しています。「付加製造とレーザー製造」国家重点研究開発プログラムなどを通じて、適格な付加製造プロセス技術、設備およびその主要部品の研究開発を支援し、適格な付加製造を「科学技術イノベーション2030-重点プロジェクト」の支援範囲に含めることを検討する。対象となる付加製造設備は、第1次主要技術設備に対する保険補償などのポリシーに含まれ、サポートが強化されます。

新素材の研究開発、産業協力、国家政策の支援、自動車部品の大量生産における3Dプリント技術の応用により、その実現はすぐそこまで来ています。しかし、3D プリント技術の発展はそれだけではありません。蘇兄弟は、2015年に自動車業界の専門家である陳光祖氏と3Dプリント部品について話し合ったとき、陳氏が「3Dプリントにより、将来的にはパーソナライズされた自動車の製造が可能になります」と言ったことを覚えている。自動車のすべての部品は個別に設計され、3Dプリントによって製造および組み立てられます。同じ金型を使用して作られていないため、デザインの想像力は無限にあります。

出典: 自動車軽量非金属材料産業連盟詳細な読み物: アセンブリの製造には何日かかりますか? 3D プリントで製造できる自動車部品は何ですか?

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