3Dプリントを研究室から外に出し、プロトタイプ設計から量産へと移行しましょう

Antarctic Bearによると、多くの3Dプリント設備メーカーが連続印刷、製造チェーンシステム統合、品質管理などの分野で実用化を実現しており、これは3Dプリントがますます「大量生産」に近づいていることを意味している。「付加製造」としても知られる 3D プリンティングは、かつては次なる産業革命の「先駆者」と見なされ、大きな期待が寄せられていました。 2015年5月に発表された国家戦略計画「中国製造2025」では、重点開発分野の一つに「付加製造」が指定されている。
3Dプリント技術は30年の歴史があるものの、長い間応用されておらず、市場規模は大きくありません。市場調査会社IDCが2017年初頭に発表したレポートによると、2016年の3Dプリンターおよび関連ソフトウェア、材料、サービスへの世界の支出は132億米ドルだったと指摘され、3Dプリント業界の権威ある調査機関であるWohlersは、市場規模を60億6,300万米ドルと算出した。統計的な精度に関係なく、3D プリンティングは巨大な製造業の中では依然として「小さな産業」です。

「3Dプリントは新興の製造プロセスであり、現在、すべての製造業は非常に成熟したプロセスまたはシステムを備えています。新しい技術であるため、現段階では100％必要というわけではありません。」ドイツの3Dプリント会社EOSのグレーターチャイナ担当ゼネラルマネージャーであるウー・チェンシュアン氏は、3Dプリント業界にとって現在の焦点は、顧客が非必須技術から「必要性を発見」できるようにする方法にあると述べた。

結果が「着陸」
3Dプリントはプロトタイプ設計の分野で初めて使用され、従来の「設計-金型-製造」プロセスを簡素化し、設計から製造まで直接進めました。設計アイデアを迅速に提示し、結果に関するタイムリーなフィードバックを提供できるため、研究開発サイクルが大幅に短縮されました。

技術が発展するにつれて、3D プリンティングは最終部品や製品の製造に使用され始め、航空宇宙、医療、自動車などの分野で利用されるようになりました。製品の種類の観点から見ると、最終製品の部品やコンポーネントと、生産現場における補助ツールの2つのカテゴリに大別できます。

呉成軒氏は、生産段階が3Dプリントの最大の市場であると考えています。彼は、従来の製造方法と比較して、3Dプリンティングは従来の製造方法の技術的限界を打ち破り、非常に複雑な形状、超軽量、安定した性能を備えた部品を生産できると結論付けました。

欧州のロケット「アリアン6」の開発・製造を担うアリアングループは、同ロケットに3Dプリント技術を採用し、本来248個の個別部品で構成されていた製品機能を1つの部品に統合し、コストを50％削減し、製造時間を大幅に短縮したとみられる。

先日開催された「第2回SAMA国際フォーラムおよび2017年世界3Dプリンティング年次会議」において、ゼネラル・エレクトリック（GE）中央研究所の製造技術グローバルテクニカルディレクターのウェイ・ビン氏は、3Dプリンティング技術を使用して製造されたGEのエンジン燃料ノズルは、元の20個の部品を1つに簡素化し、燃料ノズルの重量を25％削減したことを紹介した。

もうひとつのより現実的な例は、中国東方航空（600115.SH）の3Dプリント航空機部品製品だ。中国東方航空がボーイング777-300ER型機の最初のバッチを受け取った際、客室内の標識の一部に誤った表記がされていたことが判明したため、同社は新しい標識を「印刷」するための特別プロジェクトチームを設置したと報じられている。従来の発注サイクルは180日にも及ぶが、3Dプリントなら一晩で完成品が手に入るほか、「調達コストも1,000ドルから30人民元に下がった」という。

生産と製造の分野では、3D プリンティングはスマートファクトリーにさらなる付加価値をもたらします。アメリカの3Dプリント企業ストラタシスの中華圏ゼネラルマネージャー翟連子氏によると、実は3Dプリントは、特に業界をリードする企業では、組み立て、検査、梱包など、生産のさまざまな側面で長い間使用されてきたという。

BMW を例に挙げてみましょう。同社は製造工程で 3D プリントを使用して、主に 400 個以上のクランプと固定具からなる手持ち式の組み立てツールを作成しようとしました。 3Dプリントによる疎充填により重量が72%削減され、納期とコストがそれぞれ92%と58%節約されたと報告されています。

金型は比較的大きな市場です。呉成軒氏は以前、21世紀ビジネスヘラルドの記者との独占インタビューで、金型の種類や成形プロセスは多様であり、一般的な射出成形金型は伝統的な業界に属し、コストに非常に敏感であると述べた。3Dプリントはこの業界でその特徴を発揮し、射出成形金型の生産に価値を生み出すことが期待されている。

彼は例を挙げました。金型内には通常、冷却水路があります。製造する製品が複雑な形状や曲面構造を持っている場合、従来の金型の水路は完全に均等に分配することができず、冷却時間が長くなります。3Dプリント技術を使用すると、複雑な水路を生成し、冷却時間を短縮し、金型温度の制御を改善できるため、同じ単位時間でより多くの射出成形部品を生産でき、射出成形製品の品質を向上させることができます。

金型分野にも応用されています。 GFグループの子会社であるGF Machining Solutionsは、EOSとの協力を通じて、この技術と従来の加工技術を金型製造プロセスに統合し、これまでにないデザインのインサートを加工できるようになったと報告されています。

大量生産を模索する<br /> 3D プリントはいくつかの生産リンクや製品に適用されていますが、実践者の目から見ると、これは明らかに始まりに過ぎません。大手3Dプリンターメーカーは、この技術を積極的に量産に導入しています。

実は、すでに量産化に向けた優れた前例があり、それが前述のGEエンジン燃料ノズルです。 GE は毎年 35,000 ～ 40,000 個のこのようなノズルを生産していると報告されています。
従来の製造業と比較すると、3D プリント製品は、主にコスト、効率、品質の面で大量生産が困難です。現段階では、コストを大幅に削減することは現実的ではありません。

3D プリントのコストは、主に設備、材料、人件費の 3 つの側面から発生します。その中で、ハイエンドの設備や原材料の価格は比較的安定しており、当面値下げの兆しはない。人件費の節約という点では、一部の企業が自動化を検討し始めているが、全体としては影響は大きくない。

ストラタシスは、印刷効率を向上させるために、クラウドプラットフォーム制御に基づく小バッチ印刷を実現できる連続印刷システムを開発しました。このシステムでは、1種類の部品または複数種類の部品を異なる時間と場所で印刷できます。

さらに、ストラタシスは現在、いくつかのパートナーと共同で「無限印刷」の概念製品「3Dデモンストレーター」を開発中ですが、これはまだ市場に投入されておらず、ボーイングなどのパートナーが社内で大型のツールや部品を製造するためにのみ使用されています。

「従来の3DプリントはZ軸プリントで、下から上に層を追加していくものです。この製品はX軸でプリントするので、水平にプリントします。コンベアのように、プリントと出力を同時に行うことができます。このようにして、サイズ制限を克服することができます」とZhai Lianzi氏は語った。

それだけでなく、この装置は精密な CNC モーション制御も採用しており、印刷システムの速度は 9 倍に向上し、材料も高度な複雑性を実現できます。また、従来の3Dの「異方性」特性を克服し、従来の鋳造材料と同様に等方性、つまり全方向に同じ特性を持つため、工場生産での活用が期待されています。
しかし、この機械は他の工業用製品と同様に非常に高価であり、短期間で大量に市場に投入できる状態ではありません。

しかし、現在、製品の適用分野がかなり限定されているため、材料や製品の検査基準が遅れているケースが多くあります。中国東方航空が開発した 3D プリント看板を例に挙げると、完成品は一晩で手に入りますが、全体のプロセスサイクルは短くなく、民用航空局の要件に従って 3D プリントに適した材料を見つけるだけで約 1 か月かかりました。

Stratasys はこれに対応して、航空機内装ソリューションについて FAA (連邦航空局) と EASA (欧州航空安全局) に事前に認証を申請し、その後、材料と印刷プロセスを製品に直接適用できるようになりました。

このモデルはメーカーにさらなる負担をもたらすことは間違いないが、3Dプリントの量産化を推進する上では必ずやらなければならないことだ。より大きな課題は、多くの業界にそのような認証を行う専門組織がないため、メーカーの信頼をいかに得るかが問題となることです。

「個人的には、初期段階では、3D プリントはそれほど重要でない部品にのみ使用されると思います。それらの部品は比較的壊れやすく、ストレスをかけないようにしなければなりません」と、2017 年の世界 3D プリント年次会議で有名メーカーの研究者が述べました。市場の方向性は明確ではありませんが、大量生産の分野で計画を立てているのはストラタシスだけではありません。

EOSは、シーメンスPLMソフトウェアおよびSAPと協力し、3Dプリントソフトウェアと製品ライフサイクル管理ソフトウェア（PLM）をシームレスに統合し、製造実行システム（MES）およびエンタープライズリソースプランニング（ERP）システムでの統合を改善したと述べた。ユーザーは、モデル設計から3Dプリントプロセスまでの作業を単一のソフトウェア環境で効率的に完了できるだけでなく、部品の完成状況に関するフィードバックをタイムリーに提供することもできます。

さらに、金属 3D プリントの品質をリアルタイムで監視できるように、監視シリーズソリューションも改良しました。「印刷工程が可視化された後、製造段階で製品を厳密に監視することで、品質管理コストを大幅に削減できます」とウー・チェンシュアン氏は語った。

出典: 21世紀ビジネスヘラルド

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