3Dプリント技術の開発と応用が将来の製品設計に与える影響

アメリカ材料試験協会は、積層造形を次のように定義しています。3Dモデルデータに基づいて層ごとにオブジェクトを生産するプロセスであり、減算製造技術の反対です。通常、材料はコンピューター制御の下で層ごとに積み重ねられ、コンピューター上の3次元モデルは最終的に3次元オブジェクトに変換されます。これは、大量生産モードからパーソナライズされた製造モードへの発展における主要な技術です。従来の大規模な付加製造装置と比較して、3D プリンティングのコンセプトは、装置の小型化、インテリジェンス、およびパーソナライズを重視しています。約 20 年間の研究を経て、3D 印刷技術は大きな進歩を遂げ、印刷材料、精度、速度などが大幅に向上しました。

13Dプリント技術が製品デザインコンセプトに与える影響 従来の製品設計は、産業革命以降に形成された大量生産方式に基づいているため、消費者間の違いを設計プロセスに反映することが困難です。大量生産を追求する中で、消費者は同一であると想定され、個々のニーズは無視されます。たとえば、靴のサイズは、この設計アプローチの典型的な現れです。以前の設計モデルは、消費者の絶えず変化する足の形や運動習慣を限られたサイズとモデルに適応させることでしたが、3D プリント技術では、消費者の個人的な足の形や運動習慣に完全に一致する製品を設計できます。 3D プリント技術により、パーソナライズされた製品の設計と製造が可能になります。消費者は、自分の状況、好み、さらにはさまざまな製品使用シナリオに応じて製品を設計および製造できます。 3D プリント技術は、製品のカスタマイズに使用できます。数千人に対して 1 つのモデルを使用するという従来のやり方から、10 人に対して 1 つのモデル、1 人の人間に対して 1 つのモデル、さらには 1 人の人間に対して 10 個のモデルを使用するというように変化し、真に人間中心のアプローチが実現されています。

23Dプリント技術が製品の詳細設計に与える影響 付加製造は、大量生産モードからパーソナライズされた生産モードへの発展における主要な技術であり、その優れた利点は、低コスト、高効率、複雑な構造の製造を実現することです。積層造形技術の活用により、従来の減算型生産方式に比べ、製品の形状や構造などに革命的な革新を起こすことが可能です。

2.1 製品のスタイリング 工業デザイナーの新しいデザインコンセプトは、時代、技術、人文芸術の発展とともに必然的に更新されます。 3D プリント技術の発展と応用により、製品の製造方法はもはやデザイナーの想像力に制約されなくなりました。製品の外観がどんなに複雑であっても、3D プリンターで印刷すればシームレスに見えます。デザイナーは、製品形態の創造性と機能革新に注力することができ、いわゆる「デザインは生産」です。製品のスタイリングデザインは多様化の傾向を示し、その技術的属性、経済的属性、美的属性、環境的属性、ヒューマンマシン属性などの要素の中で、美的属性の割合が増加し、製品スタイリングの芸術的表現が徐々に普及するでしょう。その際、消費者の製品スタイリングに対する美的観点もそれに応じて変化するでしょう。図 1 に示すように、ベルギーの企業 MGX が設計したフラクタルテーブルは、自然界のフラクタル成長パターンからヒントを得たもので、3D プリント技術を使用せずに従来の製造方法で処理することは困難です。

図1 フラクタル表
2.2 製品構造
3Dプリントにより複雑な製品構造が可能になり、製品構造設計の統合トレンドが徐々に現れてきています。現在の生産技術の限界により、一般的な製品のほとんどは、複数の部品を組み立てて製品の主要構造を形成しています。この組み立て構造により、製品の質量、容積、複雑さ、故障率が増加するとともに、製造および組み立てプロセス中に大量の材料とエネルギーが浪費されます。 3D プリント技術の「付加的」方式は、製品構造を統合し、簡素化します。一部の特殊な関節構造も、補助材料の助けを借りて、組み立てる必要なしに 1 ステップで形成できます。これにより、生産効率が向上するだけでなく、製品の構造強度と信頼性も向上します。図2に示すように、ベルギーのMGX社が設計した別のOneShotシートには、ネジが1本も使用されていません。中央のヒンジは3Dプリントを使用して一体成形されており、中心軸の周りに広がるブラケットはスムーズに開閉できます。

図2 OneShotシート

3. 3Dプリント技術が製品設計プロセスに与える影響

3.1 優れたデザインのコミュニケーション媒体 現在、製品設計プロセスの並列化がますます注目されています。製品設計開発プロセスの改善などにより、製品ライフサイクルの各段階の要因を並行して考慮し、後続のリンクで発生する可能性のある問題を設計の初期段階で分析して解決する必要があることを強調し、設計の反復を最小限に抑え、製品の設計開発時間を短縮します。並行製品設計の条件下では、製品開発プロセスのすべてのリンクと要素が、可能な限り同時に、かつ共同で機能します。並行した製品設計プロセスでは、設計チーム間のコミュニケーションと議論が設計プロセスを進める上で重要な手段となります。スムーズで効率的な設計コミュニケーションは、製品の設計と開発の成功を保証する重要な要素です。製品のコンセプト設計段階では、設計チームは設計計画を議論するための視覚的な媒体として、比較的抽象的な 2D 図面しか使用できないことがよくあります。手作りのコンセプトスケッチは、グラフィックメディアの直感性の欠如をある程度補うことができますが、正確さ、質感、タッチなどの点でコンセプトのデザイン期待から大きく外れます。上記の状況により、チーム間での製品コンセプトの効果的なコミュニケーションが目に見えない形で制限されます。 3D プリントの適用により、設計の議論にかなり早い段階で正確なコンセプトモデルを導入できるようになります。設計チームのすべてのメンバー、さらには製品ユーザーも、これらのコンセプトモデルを直感的に見て触れ、構造、外観、機能の違いや長所と短所を比較し、どの製品コンセプトを継続する価値があるかを判断できます。 3D プリントで作成されたコンセプトモデルは、製品コンセプトの問題を明確に反映し、設計を修正して、製品コンセプトが完璧になるまでこの設計反復プロセスを繰り返すことができます。

3.2 迅速な製品プロトタイピング 製品の設計と開発サイクルの短縮は、製品をできるだけ早く市場に投入し、優位性を獲得することを意味します。関連調査では、調査対象製品の 17% で試作品の製作時間が長く、これが市場投入までの時間を短縮する上で最大の障害となっていました。プロトタイプのテスト段階では、設計チームは製品のプロトタイプを使用してパフォーマンステストと厳密なエンジニアリング評価を実施し、設計上の欠陥に関するフィードバックを早期に提供することで、製品開発のリスクを最小限に抑えます。 3D プリント技術を使用すると、製品のプロトタイプの製造時間を数日、あるいは数週間から数時間へと大幅に短縮できます。さらに、社内の 3D プリント装置を使用してプロトタイプや小ロットを生産することで、プロトタイプ生産のアウトソーシングによる知的財産漏洩のリスクを回避できます。

4 3Dプリント技術がデザイン業界に与える影響
4.1 独立系デザイナーとブランドの台頭 従来の製品設計モデルは、本質的な減算型生産方式によって制約されており、メーカーの利益と密接に関係するプロのデザイナーが製品設計を支配しています。 3D プリント技術が成熟するにつれて、独立したデザイナーは従来の加工産業への依存度がますます低くなります。これまでの生産モデルの制限により、デザイナーはアイデアを実際の製品にするためにメーカーと協力する必要がありました。高い生産コストを支払いながら、情報交換不足による製品の品質不良を常に防ぐ必要があり、創作に使えるはずだった多くの時間とエネルギーが無駄になっていました。大量生産モデルで少量の製品を生産すると、最終製品の価格が高くなり、製品やブランドの宣伝に影響を及ぼします。将来の 3D プリント技術により、デザイナーは独自のデザインを製造し、従来のチャネルやオンラインプラットフォームを通じて販売できるようになります。デザイナーは注文に応じて生産し、在庫ゼロを実現し、ビジネスリスクを回避できます。

4.2 ソーシャルデザインの台頭 生産プロセスにおける企業の独占により、製品の設計と開発は現在基本的に企業によって支配されており、具体的なプロセスはデザイナーによって実行され、消費者はその結果を受動的に受け入れることしかできません。この状況は、消費者のニーズと製品デザインの関係を破壊します。 3D プリンティングの台頭により、生産と製造の状況は、以前の集中型の大規模な専門製造から、分散型の小ロットの社会化された製造へと変化しました。すべての消費者は、デザイナーやメーカーになる可能性を秘めていますが、特に革新に対する強い感覚と、一定のデザインおよび研究開発能力を備えた一流ユーザーはその可能性が高まります。『第三の波』で予測されているように、消費者は消費財の生産プロセスにさらに影響力を及ぼし、「生産的な消費者」へと進化していきます。ポスト工業化時代では、誰もが実はデザイナーであり、それはデザインが非集約的であることを意味します。従来の意味でのデザイナーは、もはや自分の力に頼って独立してデザインを完成させるのではなく、デザインオーガナイザーの役割を果たし、優れたコミュニティを構築し、効果的なデザインプラットフォームを組織し始めます。 3D プリント技術によって社会化された製造業が実現するとともに、新しい社会化された設計モデルである「デザインクラウドソーシング」も普及するでしょう。デザインクラウドソーシングとは、企業や組織が、これまで従業員が行っていたデザイン業務を、不特定多数の大衆ネットワークに自主的にアウトソーシングする慣行を指します。例えば、2009年に設立されたアメリカの会社Quirkyは、オンラインメディアを通じて一般から提出された製品デザインのアイデアを受け付け、同社の登録ユーザーがコメントや投票を行います。こうして毎週1つの製品が3Dプリント生産用に選ばれ、製品の設計と修正プロセスに参加したクラウドソーシングの人員は売上高の30％を分け合うことができます。この斬新なデザインクラウドソーシングモデルは、製品設計プロセスにおける専門デザインチームのこれまでの独占を打ち破り、製品イノベーションに新たな活力を注入し、消費者のニーズと製品設計をより密接に統合します。

5 結論と展望 3D プリント技術の将来は、ほぼ 100 年続いた現代の製造モデルを根本的に変えるだけでなく、デザイン分野のあらゆる側面に大きな影響を与えるでしょう。これからのデザイナーは、製品加工技術の枠にとらわれず、これまでにないほど想像力と創造力を刺激されるようになるでしょう。独立したデザイナーは、3D プリント技術を利用してアイデアを実際の製品に変えることができ、その結果、多数の独立したデザイナーとデザインブランドが生まれます。デザインの社会化の傾向により、これまでのデザイン組織の硬直した構造的区分が打ち破られ、消費者は独自の製品を設計し生産する力を得ることになります。

編集者: Antarctic Bear 著者: Zhang Nan、Li Fei (河北科技大学芸術学院)

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