3Dプリンティング：人間の製造業の限界を広げる

2012年には早くもイギリスの雑誌「エコノミスト」が3Dプリンティング（付加製造）が第三次産業革命となると述べる特集記事を掲載しました。3Dプリンティング技術の継続的な発展に伴い、業界では今やコンセプトを大げさに宣伝するだけでなく、3Dプリンティングを独自の役割にどう役立てるかをより深く考えるようになっています。

フロリダ州マイアミのニクラウス小児病院で、幼いミアちゃんは長期にわたる呼吸困難に苦しんでいた。彼女は珍しい心臓病を患っており、二重の静脈弓が絡まり合って血管輪が気管と食道に巻き付いて空気の流れを妨げ、咳や呼吸器感染症を繰り返し起こしていた。

ニクラウス小児病院はミアのCTスキャンに基づいて3Dプリントされた心臓モデルを作成した。このモデルにより、小児心臓血管外科主任のレドモンド・バーク博士とそのチームは、最適な治療結果を得るためにアーチをどこで分割する必要があるかを判断することができました。

Stratasys 3D 印刷ソリューションの助けを借りて、ねじれた血管をさまざまな色を使用して層状に印刷することができ、熱画像技術を使用して詳細を可能な限り復元することができます。ミアさんはわずか2か月で手術から回復し、誤診による4年間の苦しい生活に別れを告げ、普通の生活に戻りました。外科医にとって、正確な 3D モデルは、高度な画像技術だけよりも価値があります。

FDM印刷技術の発明者であり、世界最大の産業/プロフェッショナル3Dプリンター企業であるストラタシスのアジア太平洋および日本担当社長オマー・クリーガー氏は、これらの事例を紹介し、3D印刷が医療モデルの分野で大きな可能性を秘めていると説明しました。病変は人それぞれ異なります。CTで病変部位をスキャンした後、関連部分をさまざまな色、硬い素材、柔らかい素材でプリントアウトし、外科医が手術計画を立てやすくします。

3D プリント、愛を伝えるのは簡単ではない<br /> 1983 年に最初の 3D プリンターが登場して以来、業界は今日まで発展してきましたが、3D 印刷技術の価値と、それが従来の製造業に与える破壊的な影響は、まだ十分に認識されていません。コンサルティング会社EYの調査によると、3Dプリント技術を戦略レベルで活用している企業はわずか4％で、76％の企業はこの分野での経験がないという。しかし、世界的に有名な調査・コンサルティング会社であるガートナーが発表した2017年の3Dプリンティング業界予測レポートによると、2020年までに産業オペレーターの10％がロボットと3Dプリンティング技術を製造プロセスに統合し、医療分野では体内の医療インプラントと機器の30％が3Dプリントされ、さらに3Dプリンティングにより製品生産時間が25％短縮され、世界の製造業務の75％が3Dプリントされたツールと固定具を統合して完成品を生産するとのことです。

金型製作を必要とする大規模な工業製造と比較すると、3D プリント技術の利点は明らかです。設計アイデアを物理的なオブジェクトに素早く変換でき、複雑な構造の製造に特に優れています。設計者とユーザーが早期に設計検証を実施しやすくなり、研究開発サイクルを短縮できます。製造プロセスでは製造プロセスを考慮する必要がなく、コンピューターグラフィックスデータから任意の形状のオブジェクトを直接生成できます。

オマー・クリーガー氏は、「これまで、3Dプリントは主に試作段階の第一段階で使用されていましたが、現在は徐々にツール製作の段階に入りつつあります。私たちが達成したいのは、第三段階の目標、つまりダイレクトデジタルマニュファクチャリング（DDM）の実現、つまり3Dプリントを使用して直接生産・製造に移行し、最終部品を作ることです」と語った。

原材料の制約<br /> ダイレクトデジタルマニュファクチャリングとは、製品のプロトタイプ、生産ツール、最終部品の製造など、3D CAD データに基づいて 3D プリントによって最終製品を直接製造する生産プロセスです。この「スマート製造」アプローチは、納期と生産コストを大幅に短縮し、小ロット生産の利点を備えており、企業が顧客のニーズや市場の変化に迅速に対応するのに役立ちます。

医療や航空宇宙の分野は、印刷材料や技術に対する要求が非常に高く、個別のカスタマイズが求められる分野です。自動車や電気・電子業界では、3D印刷技術が超小規模の大量生産やスペアパーツの生産に使用され始めています。「これは生産と製造の概念における革新です。付加製造は従来の製造に取って代わるものではなく、むしろ新しい分野を切り開くものとなるでしょう」とオマー・クリーガーは語った。
しかし、この目標を達成するには、印刷材料に対して極めて高い要求が課せられ、強度などの機能要件を満たすだけでなく、表面の滑らかさや美観の要件も満たす必要があります。この目的のため、化学業界大手のBASFは、2017年9月1日に新会社、BASF 3D Printing Solutions Co., Ltd.を設立しました。同社は主に、3Dプリントの材料、システムソリューション、コンポーネント、サービスの構築と拡大に取り組んでいます。

化学業界では、BASF はさまざまな熱可塑性エンジニアリングプラスチック、ポリウレタン、アクリレートシステム (フォトポリマーなど)、感光性材料、機能性添加剤、安定剤、顔料、金属システムなどを含む、幅広い 3D プリント材料のポートフォリオを持っています。個別に成形された部品の工業的製造（自動車製造など）において、レーザー焼結プロセス用に BASF が開発したポリアミド 6 粉末は、一般的に使用されているポリアミド 12 と比較して、完成品の強度と熱安定性を向上させます。 BASF アジアパシフィックイノベーションパーク（上海）の 3D プリンティング研究開発ラボでは、研究者が耐衝撃性の高い 3D プリント機能部品用の高度なインクと樹脂材料を開発しています。「これは、既存の高度な 3D 印刷技術を使用して製造されたプラスチック部品が、機械的特性や熱的特性の点で制限を受けることが多いためです。プラスチック、セラミック、金属部品の製造要件を満たすには、材料特性を的確に改善する必要があります」と、BASF の新規事業部門で 3D 印刷のシニアビジネス開発マネージャーを務めるマイケルタン氏は述べています。「3D プリント技術の将来的な普及は、プリント製品の価格がより手頃になるかどうかにかかっています。したがって、材料と設備のコストを削減し、生産量を増やし、品質を向上させることに重点が置かれています。」

航空機を3Dプリント製品にする プラスチックや複合材料の印刷を主に手掛けるストラタシスと異なり、米国の工業企業ハネウェルは航空宇宙分野で初めて金属材料の印刷に挑戦している。プラスチック印刷と金属印刷はまったく異なる概念であり、両者の間に共通点はありません。

2015 年 1 月、ハネウェルは電子ビーム溶融 (EBM) 技術 (3D プリントとも呼ばれる) を使用してインコネル 718 から航空宇宙部品を製造した最初の企業となりました。「超合金」として、クロム・ニッケル・インコネル合金は、いくつかの重要な特性を備えた合金です。酸化や腐食に強く、高温や高圧などの極限条件に適しています。そのため、航空機エンジンに使用できます。

2015年1月28日、ハネウェルは初めてこの材料と技術を正式に航空宇宙部品の製造に使用し、HTF7000エンジンのチューブキャビティを実験的に設計しました。 8 つの異なる部品番号を 1 つの限定部品番号設計に統合することで、リードタイムを数か月から数週間に短縮できます。その結果、部品の品質が向上するとともに、圧延出力の増加、在庫の削減、生産の高速化、生産コストの削減が実現します。成功体験に支えられ、ハネウェルは同じ技術と材料を使用してリアベアリングタービンサポート（RBTS）を生産し始め、さまざまな部品の製造に3Dプリント技術の使用を検討することにしました。

ハネウェルの航空宇宙積層造形専門家であるドナルド・ゴッドフリー氏は、「3D プリントは、航空機製造業界に新たな章を開きました。次の大きな推進力は、この技術を使用して補助ツールを作成することです。ハネウェルは、部品のコストを削減し、品質 (ローリング出力) を向上させながら、ツールの予算を削減して生産を促進するためにこの技術を開発しています。3D プリントのアプリケーションが普及するにつれて、企業は必要な部品をオンラインで印刷できるため、航空業界は迅速なサプライチェーン管理の段階に入ると予想されます。」と述べています。

同時に、ストラタシスはエアバスのサプライヤーにもなり、A350航空機の部品製造を専門としました。注文はわずか 36 個と少量ですが、これらの部品は各航空機に 1 個または数個しか使用されない可能性があるため、これらの小さな改良の裏には将来への期待が秘められています。

出典: 中国ビジネスネットワークビジネススクール著者: 銭リナ

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