5年間で6倍の成長!電気自動車の革命的な量的変化に直面して、3D プリントの準備はできていますか?

5年間で6倍の成長!電気自動車の革命的な量的変化に直面して、3D プリントの準備はできていますか?
電気自動車市場は量的変化から質的変化への飛躍を遂げており、アーヘン大学の予測によれば、電気自動車の年間生産台数は2020年に410万台(自動車市場の約4%を占める)、2025年には2,490万台(自動車市場の約22%を占める)、2030年には5,040万台(自動車市場の約42%を占める)まで成長すると予想されている。しかし、2020年から2025年の5年間で、増加率は6倍になります。これは…驚くべき数字です!

KK が「新経済のための新ルール」で指摘したように、新経済の激動かつ急速に変化する環境においては、応答性、適応性、行動の迅速性を備えた企業だけが成功することができます。新しい道に急いで進むだけでは問題の半分しか解決しませんが、古い成功をすぐに諦めれば、残りの重要な半分は解決します。


電気自動車<br /> 電気自動車は総合的なハイテク製品です。バッテリーや電動モーターに加え、車体自体にも多くのハイテク技術が盛り込まれています。一部の省エネ対策は、バッテリーのエネルギー貯蔵容量を向上させるよりも簡単に実施できます。電気自動車にはまったく新しい車体構造が必要であり、単に内燃機関を電気駆動システムに置き換える以上のことが求められます。車両の電動化には、電気駆動部品の設置スペースに対するまったく新しい要求が課されるため、車体全体の大幅な変更が必要になります。

軽量構造設計は電気自動車にとって非常に重要です。バッテリー電力に加えて、車の重量も走行距離を制限する要因となるからです。車両が軽ければ軽いほど、より多くのバッテリーを搭載でき、走行距離が長くなります。車両が軽量になると、走行距離が延びるだけでなく、車両性能も大幅に向上します。なぜなら、車両が軽量であれば加速が速くなり、コーナーをより機敏に曲がり、ブレーキをかける時間が短くなるからです。例えば、BMWの電気自動車の車体はほぼ全体がカーボンファイバーで作られており、衝突エネルギーを吸収し、電力システムを支える底部構造のみがアルミニウム合金で作られています。カーボンファイバーはアルミニウムより30%、スチールより50%軽量です。このようなボディ構造は強度が増すだけでなく、さらに重要なことに、ボディの重量を大幅に軽減できます。 (出典:人民日報オンライン:電気自動車の4つの主要技術)

3D プリント技術は、電気自動車の研究開発を支援し、新しい車体構造、軽量構造、さらには自動車の内装やスマート接続を実現する上で大きな可能性を秘めています。

3Dプリントと電気自動車
自動車製造業界における 3D プリント技術の応用は、新製品の迅速な試作や設計検証にとどまらず、工具、固定具、金型、複雑な部品、軽量構造物の製造にも徐々に浸透しつつあります。非常に革新的な新興自動車メーカーの中には、車体やシャーシの製造に 3D プリント技術を直接適用しているところもあります。

上海フォルクスワーゲン自動車有限公司の沈偉東上級管理職によると、現在、国産の3Dプリント部品はまだ自動車の研究開発段階に限られており、少数の部品が車両搭載テストに使用されたり、ロット車両の検査ツールの製造に使用したりできます。国際的には、HP や Carbon に代表される 3D プリンティング企業は、3D プリンティング技術を使用して小ロット部品の製造を実現するという市場に直接的な位置付けを行っています。シーメンスは、設計、シミュレーション、製造ソリューションをカバーするエンドツーエンドの PLM 積層製造ソフトウェア システムを発表しました。これらはすべて、自動車分野における 3D プリント技術の応用が研究開発段階にとどまらず、より深く行われ、生産段階でも重要な役割を果たすことを意味します。今後、材料技術のさらなる発展に伴い、各種金属、軽金属に代わるエンジニアリングプラスチック、炭素繊維複合材料などが3Dプリントに成熟して応用され、自動車製造業界における軽量化、電動化、インテリジェント化、IoT化の流れがさらに強化されるでしょう。

バッテリー<br /> 新エネルギー車ファミリーの中で最も注目を集めているのは、米国シリコンバレーで生まれたテスラの電気スポーツカーです。テスラは、シリコンバレーのエンジニアであり、ベテランの自動車ファンでもあるマーティン・エバーハードの努力により、2003年に設立されました。10年以上の長い成長期間を経て、テスラモーターズは2013年5月に初めて黒字を達成し、世界中の注目を集めました。2015年、テスラモーターズの世界販売台数は5万台を超えました。

テスラの業績は、環境意識の高い高所得層に対する市場ポジショニングと関係があり、伝説のリーダーであるイーロン・マスクと切り離せない。しかし、テスラが新エネルギー車の分野で地位を確立したもう1つの重要な理由は、テスラがトップクラスの耐久性を持っていることだ。テスラのMold S電気自動車の航続距離は483キロメートルで、新しいフラッグシップモデルの航続距離は526キロメートルにも達し、間違いなくテスラ車のハイライトとなっている。このハイライトは、テスラのバッテリー技術によるものです。テスラ モデル S には、7,000 個を超える 18650 リチウム バッテリーで構成されたバッテリー パックが搭載されており、テスラの電気自動車を全面的に保護します。


写真:バッテリーの進化。純電気の新エネルギー車が市場で認められるためには、急速充電機能と超長距離走行が必須条件です。バッテリー技術の飛躍的進歩が電気の新エネルギー車の発展の鍵となります。近年登場した新興材料であるグラフェンは、急速充電と蓄電機能を備えた電池やスーパーキャパシタの製造分野で大きな可能性を秘めています。理論的には、グラフェン材料自体の熱効果、電気特性、低温水素吸収、常温での無散乱、歪み感知などの機能により、グラフェンベースの電池は車体のサイズと重量の負担を軽減できるだけでなく、充電時間を大幅に短縮し、電気自動車の耐久性を従来の自動車に匹敵させることができます。これらの魅力的な可能性により、グラフェン関連の電池やスーパーキャパシタの製造技術も研究のホットスポットとなっています。

グラフェン
3Dプリント技術をグラフェン電池やスーパーキャパシタの製造に応用することも注目を集めています。例えば、オーストラリアのスウィンバーン大学の研究者は、グラフェンシートを3Dプリントすることで、広く使用されている新しいエネルギー貯蔵技術(技術的にはスーパーキャパシタ)を発明しました。この技術は、より大きな充電エネルギーを保持でき、1秒以内に充電できます。充電と放電によって電池の品質が低下しないため、これらの電池は理論的には長期間繰り返し充電できます。充電式バッテリーを頻繁に廃棄する必要がないことによる環境への脅威を考慮すると、この利点により、新しいスーパーバッテリーを 3D プリントするための商業スペースがより想像力豊かになります。

これに先立ち、ローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)とカリフォルニア大学サンタクルーズ校の科学者らは、3Dプリントされたグラフェンベースのスーパーキャパシタの性能を2倍にする方法を発見した。 2015年、LLNLはグラフェン材料の応用において画期的な進歩を遂げました。研究室の研究者はグラフェンエアロゲルを3Dプリント材料として使用し、設計された構造に従って3Dプリントを実行しました。印刷されたグラフェン構造は、優れた導電性と表面積を備えています。この科学研究成果は、センサー、ナノエレクトロニクス、触媒、分離などの分野で応用できる可能性があります。

軽量

KK が著書「New Economy New Rules」で述べているように、自動車のような工業製品でさえ、性能向上と軽量化のルールに従っています。自動車の平均重量は減少しており、徐々に情報が質量に取って代わるにつれて、今後も減少し続けるでしょう。

ソウルメイト
軽量化は将来の自動車の大きな特徴です。EDAG のデザイナーは、軽量車体のデザインのアイデアを得るために、葉からインスピレーションを得ています。ソウルメイトの車体構造は、葉脈に似た3Dプリントの「骨格構造」と薄い外層で構成されている。 3Dプリントされた「スケルトン構造」は、位相最適化設計が施されており、設計者は耐荷重性の低い部分の材料使用量を減らし、耐荷重性の高い部分の材料密度を高めることで、製造工程での材料廃棄が少ない軽量の車体構造を実現しています。

Soulmate本体の「骨格構造」は、EDAGエンジニアリング、Zentrum Nord Laser、Concept Laser、BLMの4社の協力により製造されました。製造工程では、金属3Dプリント、レーザー溶接、レーザー曲げ成形技術が使用されました。 3D プリントは、ドイツ企業 Concept Laser の 3D プリント装置によって完成しました。車体構造のノードは、同社の LaserCUSING® テクノロジーを使用して製造されました。ノードの形状は、荷重補強コンポーネントの各レベルの機械的性能要件を効果的に模倣しています。ノードは、630 mm x 400 mm x 500 mm の処理容積と 1 kW レーザーを使用して処理されます。 2 つのセクションとノードの設計は、自動車の車体構造の機械的性能要件を満たすように CAD/CAE を使用して最適化されます。

このバイオニック3Dプリントの「スケルトン構造」コンセプトは、柔軟な生産の利便性をもたらします。デザイナーがモデリングを完了すれば、カスタマイズされた生産を行うことができます。特に、設計者が自動車のさまざまな動力システムの組み立てを検討する必要がある場合、使用する動力システムの特性に応じて車体構造の負荷力を柔軟に調整し、3Dプリントされた「スケルトン構造」の設計を調整することができます。 3D プリントされたボディ構造のさまざまな部分は剛性材料で接続されており、必要に応じてさまざまな厚さやさまざまな幾何学的形状のコネクタを簡単に提供できます。

EDAGエンジニアリングは、ソウルメイト車に加えて、2017年に3Dプリント軽量自動車フードヒンジの設計および製造プロジェクトであるLightHinge+も立ち上げました。この軽量ヒンジの設計および製造プロセスにおいて、EDAG とそのパートナーは、トポロジー最適化設計、シミュレーション分析、3D 印刷技術を通じて、3D 印刷された自動車フードヒンジを設計および製造しました。このヒンジは軽量化を実現すると同時に、歩行者保護に関する自動車製造業界の設計要件も考慮しています。シミュレーション分析を通じて、プロジェクト チームはヒンジの 3D プリントの期待値を効果的に制御しました。

自動車会社は金属3Dプリントとプラスチック3Dプリントの2つの分野に力を入れています。BMWグループが金属3Dプリント技術をいち早く採用したのと同様に、BMWはCarbonとHPの導入もいち早く決定しました。BMWはこれらの3Dプリント技術が最終部品の製造に使われると考えています。

相違点
ダイバージェントは、自動車のシャシーの製造に3Dプリント技術を大胆に試しました。ブレードカーの主なコンポーネントは、非常に軽量で非常に高速なアルミ合金とカーボンファイバーです。

自動車のシャシーと支持構造の製造プロセスは、主に3Dプリントされたアルミニウムの「ノード」構造を既製のカーボンファイバーチューブに接続することです。全体のプロセスはレゴブロックを組み立てるのと非常に似ています。すべてのノードが製造されると、作業者は短時間で自動車のシャーシを組み立てることができます。シャーシを製造するプロセス全体に必要な資本とリソースはごくわずかで、他の自動車製造技術のように高度なスキルと十分な訓練を受けた労働者も必要ありません。この独自の 3D 印刷方法を使用してノード カー シャーシを作成すると、従来の技術を使用して製造された車よりも 90% 軽量で、強度と耐久性が向上します。

ブレードは、わずか2.2秒で時速0マイルから時速60マイル(約100キロメートル)まで加速できます。重量はわずか1,400ポンド(約635キログラム)で、ガソリンまたは圧縮天然ガスを燃料として使用できる4気筒700馬力のデュアル燃料内燃エンジンを搭載しています。この車のシャシーは、3Dプリントされた約70個のアルミニウムノードで構成されており、作業員が手作業でシャシーを組み立てるのにかかる時間はわずか30分です。シャーシ自体の重量はわずか61ポンド(約28キログラム)です。

ブラックシャークVIII
2017年中国学生フォーミュラカー大会と2017年NIOカップ中国学生フォーミュラ電動大会に出場したBLTがスポンサーの北京理工大学フォーミュラレーシングチームが送り出したBlack Shark VIIIは、画期的なレーシング軽量設計コンセプトを持っています。ブラックシャークVIIIは、軽量設計と金属3Dプリント技術においてポリライトの支援を受けています。北京理工大学フォーミュラワンチームは、ブラックシャークVIIIレーシングコラムの革新的なデザインを現実のものにしました。製造精度を保証するだけでなく、軽量化にも優れています。コラム部品の実際の重量は20%削減され、強度は140%増加しました。ブラックシャークVIII車両の重量は163kgに抑えられ、車両重量は昨年と比較して14%削減されました。ポリライトによれば、これは2017年シーズンの121のガソリン車と電気自動車チームの中で最軽量の車であるだけでなく、中国学生フォーミュラ競技会の8年間で最も軽量の車でもあるという。
熱交換器
ヒエタ
HiETA Technologies が Delta Motorsport と共同で設計・製造したマイクロガスタービンシステム用の並列流熱交換器は、電気自動車のマイクロタービンエンジンに使用されます。

HiETA は、最大 150 ミクロンの厚さのインコネル材料による漏れのない薄肉構造の開発を含む専用のパラメータ パッケージを開発しました。製品は、レニショーのスタッフォードシャー工場と、ブリストルおよびバースサイエンスパーク近くの HiETA の施設で AM250 を使用して製造されています。英国を拠点とする車両インテグレーターのデルタ・モータースポーツが両プロジェクトに関与した。 1つ目は、電気自動車の増設装置として使われる直方体型の熱交換器(熱交換器)です。 2 つ目は、コンポーネントのデザインをより複雑にすることです。形状は従来の長方形とはまったく異なり、より複雑な円弧デザインになっています。

HiETA が 3D プリントにより製造した部品は、市場で従来の方法で製造された同じ効率の製品よりも通常 40% 軽量です。これは、3D プリント技術により、設計者が単一のコンポーネントで多くの新しい高性能表面を設計できるようになり、これらの統合されたオールインワン設計を従来の処理方法で製造するのは非常に困難であるためです。

内装・プラスチック部品

フラクタル
フランスのプジョーはかつて、3Dプリント技術を使用して作られた吸音内装を特徴とする、Fractalと呼ばれる純電気のコンセプトカーを発売した。車両の内装はMaterialise社によって設計され、3Dプリントされました。 3Dプリントされた内装は、フラクタル電気自動車の内装総表面積の82%を占めています。 内装トリムの表面は中空の凹凸構造になっており、音波と騒音レベルを低減するだけでなく、表面から表面へ音波を反射させ、音環境を整えます。このような複雑な形状は金型射出成形では実現が困難ですが、これこそが 3D プリント技術のメリットです。

もちろん、Fractal が 3D プリントで作成するインテリアは、製造の直接的な結果です。 3D Science Valley の見解では、自動車の内装であれ、自動車に使用されるその他のプラスチック部品であれ、コンフォーマル冷却金型の応用という、大きな応用可能性を秘めた別の 3D 印刷技術が存在します。
3D Science Valleyの市場調査によると、Moogは2015年にLinear Mold Engineeringの株式の70%を取得し、Linear Moldは自動車分野におけるコンフォーマル冷却金型の爆発的な成長傾向を見て、2017年にその株式の大半を買い戻しました。

スマートコネクティビティ<br /> スマートカーならではの魅力は、米国のローカルモーターズが発売したスマートバスや、ドイツのボッシュが開発したソウルメイトコンセプトカーなどを通じて感じることができる。注目すべきは、両方のスマートカーが自動車部品の製造に 3D プリント技術を使用していることです。

オリ
スマートカー分野では、カスタマイズカーの提供を主な事業とするローカルモーターズは、グーグル、テスラ、BMWなど有名企業に劣らない市場対応速度を誇っている。ローカルモーターズが開発したスマートバス「Olli」がドイツで試験運用されている。将来的には、ドイツの鉄道駅からホテルまでの送迎サービスを担当することになる。

Olli バスは従来のバスに比べて乗客定員が少なく、速度も遅く、最大乗客定員は 22 名、最高速度は 25 mph です。しかし、Olli の高度なテクノロジーにより、これらの違いは重要ではなくなります。 Olli バスは、リサイクル可能な炭素繊維強化プラスチックで 3D プリントされた車体など、製造に多数の 3D プリント部品を使用する自動運転スマートカーです。 Olli には、大量のデータの分析を担う IBM Watson の人工知能ソフトウェアも搭載されています。データは、Local Motors が製造工程中に車に組み込んだ 30 個以上のセンサーによって収集されます。さらに、Olli 車は Watson の 4 つの言語抽出および分析 API を使用して、車と乗客のシームレスなやり取りを実現します。例えば、乗客が車に乗り込んだら、Olliに「市内中心部まで連れて行ってもらえますか?」と尋ねることができます。Olliはすぐに判断し、目的地まで運転します。乗客が目的地に詳しくない場合は、Olli に近くのレストランや観光スポットを尋ねることもできます。

ソウルメイト
ドイツのボッシュ社とそのパートナーであるEDAG社が共同で開発した「ソウルメイト」は、中国語では親友という意味だけでなく、魂の伴侶という意味にも翻訳されています。この感情的な言葉を車に命名することは、この車が所有者の意識を非常に敏感に察知する能力を持っていることを示しています。これはまた、将来の自動車が IoT システムに完全に接続され、高度なインテリジェント機能を備えることを意味します。たとえば、ソウルメイトの内部と外部の表面は内部照明システムによって照らされ、ドライバーは光信号を通じて他のドライバーと通信できます。高速道路で危険が発生した場合、運転者はドアを赤く点滅させて他の運転者に警告することもできます。ボッシュの技術専門家は、車の所有者が自宅のスマート製品と接続し続けることができるインテリジェント システムを車内に設置しました。車の所有者は、車内にいながら配達員に自宅に来てもらうよう依頼し、車内のディスプレイ画面をタッチして商品の受け取りサインをすることができます。さらに、車両のインターフェースはジェスチャーコントロールと触覚入力によって制御できるため、所有者は車の運転に集中できます。

3D プリントエレクトロニクス 3D プリンターを使用した電子製品のハウジングのラピッドプロトタイピングは、すでにエレクトロニクス業界では一般的ですが、エレクトロニクス業界における 3D 印刷技術の応用は、電子製品の「表面」に限定されません。よりエキサイティングな用途は、PCB (プリント回路基板) の印刷と、さまざまな基板上へのコンポーネントの直接印刷です。

3D 印刷技術は、フレキシブルな物体を含むさまざまな材料の基板に回路やセンサーを印刷できます。たとえば、Nano Dimension は、織物の不可欠な部分である織物に電子部品やセンサーを印刷しようと試みました。Nano Dimension は、織物の導電性、弾性、摩擦などの側面もテストしました。テスト結果によると、3D 印刷された銀導体は、織物の弾性に匹敵するほどの十分な弾性を持っています。こうした技術により、柔らかい繊維でも IoT デバイスになる可能性が生まれます。

3D プリント電子技術の最も有望な応用分野は、モノのインターネットの分野です。多くの場合、データ伝送やオブジェクトの相互接続を実現するために、IoT デバイスに回路やセンサーを組み込む必要があります。3D Science Valley が「3D 印刷と電子製品のホワイト ペーパー」で紹介したいくつかの 3D 印刷技術は、プリント回路やセンサーの分野で関連アプリケーションを持っています。

現在、自動車のインテリジェント相互接続を実現するための技術は 3D プリンティング技術とはあまり関係がありませんが、エレクトロニクス分野での 3D プリンティング技術の応用が深まるにつれて、3D プリンティングはインテリジェント相互接続とますます密接に統合されるようになります。

電気自動車は世界中で普及しつつある<br /> 電気航空機 世界の電気輸送市場を見渡すと、電気自動車の分野だけでなく、3D プリント技術は電気航空機や電動バイクとの融合を深めています。

電気航空機に関しては、イスラエルのEviation Aircraftが全電気式通勤航空機を開発しており、Eviationは研究開発の過程で3Dプリント技術を適用した。航空機の開発プロセスにおいて、Eviation Aircraf は、コンポーネントの研究開発コストを管理し、コンポーネント航空機設計の反復の効率を向上させるための経済的で迅速なソリューションを必要としていました。 Eviation は、研究開発に必要なプロトタイプ部品、テスト用の機能部品、ツールや金型を迅速に製造するために、Stratasys Fortus 450mc 3D プリンターを購入しました。


画像: Stratasys の装置と材料を使用して Eviation が製造した部品
Eviation社はこの3DプリンターとABS素材を使い、20時間で翼モーターの試作品を作り、さらにULTEM素材を使った「複合材敷設ツール」も作った。3Dプリントされた部品はカーボンファイバー素材で覆われ、滑らかで空気力学的な機体表面構造を支えている。 ULTEM 素材は、過酷な環境でも使用できる熱可塑性素材です。航空宇宙製造分野では、高度な機能プロトタイプの製造や 3D プリント用の最終部品の製造に使用できます。

電動バイク<br /> Light Rider は単なる電気飛行機ではなく、既存および潜在的顧客向けに金属 3D プリント設計研究を紹介するために APWorks が開発した電気バイクです。 APWorks によるこの研究は、新しいコンポーネントの開発、構造の再構築、材料の最適化、3D プリントの組み合わせが成功したことを示しています。これらの要素を組み合わせることで、重量とコストが削減されるとともに、組み立て時間が短縮され、コンポーネントとアセンブリへの新しい追加機能の統合が容易になります。この電動バイクのフレームは、自然の原理に基づいて最適化された構造で設計されています。見た目的には、ライトライダーのデザインは、1960 年代の英国のバイクのシリーズであるカフェレーサーに似ています。 APWorks のエンジニアは、照明、座席、色などのコンポーネントを選択した後、設計プロセスを開始しました。

さらに、トポロジー最適化技術とエアバス社が開発した高性能アルミニウム合金材料「Scalmalloy®」も、プロジェクト成功の重要な要素となっています。 Scalmalloy® は耐腐食性があり、アルミニウムの軽量の利点とチタンの強度の利点を兼ね備えています。

一歩一歩先へ、一歩一歩先へ


まとめると、電気自動車における3Dプリントの応用は、想像力の空間が大きいだけでなく、実用的な操作性も備えています。3Dプリント設備および材料メーカーは、電気自動車メーカーとの交流を積極的に強化し、独自の調整を組み合わせて、適用範囲を拡大し、市場チャンスをよりよくつかむ必要があります。


出典: 3Dサイエンスバレー

5年、6年、6倍、倍、成長

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