【分析】製品設計における3Dプリント技術の応用の概要

この投稿は Little Soft Bear によって 2017-8-23 14:32 に最後に編集されました。

3Dプリンティング技術は、コスト増加なしでの製品の多様化、組み立ての不要、ゼロタイム納品、ゼロスキル製造など、従来の製造プロセスにはない利点があり、航空宇宙、自動車製造、産業機器製造に応用されています。製品設計の分野では、今後、パーソナライズされたカスタマイズされた製品が徐々に市場の主流となり、3Dプリント技術は消費者の個々のアイデアに応じてオブジェクトやクリエイティブな作品を制作できるため、パーソナライズされた製品の設計と制作が可能になります。この記事では、3D プリント技術と材料に関する基礎知識を紹介することに焦点を当て、製品設計分野における現在の応用状況を概説し、この分野でのさらなる応用へのインスピレーションを提供します。
3D プリント技術の概要
1. テクノロジー現在、3D 印刷技術で使用されているより成熟したプロセスには、主に熱溶解積層法 (FDM)、レーザーニアネットシェイプモデリング (LENS)、薄材料のホットメルト接着接合 (LOM)、光立体造形法 (SLA)、粉末レーザー焼結法 (SLS)、スプレー接合成形 (3DP) などがあります。

1.FDM : 1980年代にスコット・クランプによって発明されました。 FDM プリンターで材料を塗布するプリントヘッドは、通常、一連の水平および垂直のトラックに沿って移動します。最初の層を堆積させるとき、プリントヘッドは最初に印刷するオブジェクトの輪郭を描き、次にプリントヘッドが前後にスキャンして輪郭を塗りつぶします。最初の層が印刷された後、プリントヘッドがわずかに上昇し、その後下降して 2 番目の層の印刷を開始します。 3D プリンターはこのプロセスを繰り返し、設計ファイルに描かれたオブジェクトのすべての断面を印刷します。

2.レンズ：材料粉末を慎重に誘導された高出力レーザービームに吹き込みます。ビームを逸れた粉末は横に落ち、レーザーの焦点に当たった粉末は瞬時に溶けて成長部分の表面に融合します。したがって、レーザーの焦点が印刷対象の輪郭をスキャンし、プリントヘッドがさらに粉末を吹き出すと、部品は層ごとに徐々に大きくなります。

3.LOM : 薄いシート状の材料を積層して単一の三次元物体を形成する。設計ファイルの指示に従って、ツールまたはレーザービームが、薄い紙、プラスチック、または金属材料のシートから立体形状の輪郭を切り取ります。 1 枚のシートを切断した後、新しい粘着シートを敷いて次の層の切断を開始します。プリンターは、紙、プラスチック、または金属のカットシートを積み重ね、オブジェクトのすべての断面をカットした後、層をプレスして融合し、3次元の固体にします。

4.SLA : 感光性ポリマーをレーザースキャンして3次元物体を形成する。その動作原理は、レーザーが感光性ポリマーをスキャンした後、プリンターテーブルが沈み、すでに印刷された部分が液体に沈み、新しい感光性ポリマーがその上を覆う、というものです。一部の SLA プリンターは逆の方法で動作します。

5.SLS : 1980年代にテキサス大学の研究者カール・デッカードとジョセフ・ビーマンによって発明されました。液体の感光性ポリマーを使用する代わりに、粉末を使用します。これは、二酸化炭素レーザーを使用して粉末材料を固体部分に選択的に焼結することによって形成されます。印刷プロセスが完了すると、オブジェクトは最終的に粉末の下に埋め込まれます。

6.3DP : 3DP は、1980 年代に MIT の学生 Paul Williams と彼の指導者である Eli Sachs 教授によって発明されました。プリントヘッドを通してバインダーまたは何らかの接着剤を原料粉末に押し込むことで、実体を印刷します。 3DPプリンターは、原料に接着剤を絞り出して層を作るため、レーザーを必要とせず、幅広い原料を使用することができます。 3DP プリンターは高出力のコンポーネントを必要としないため、エネルギー効率に優れています。欠点は、レーザーを使用しないため、非常に薄い層を作成することが難しく、生成されるオブジェクトの表面が粗くなる傾向があることですが、カラーで印刷できます。

2. 材料 3D プリントの製造プロセスが異なれば、対応する 3D プリント材料も異なります (表 1)。また、家電製品、医療機器、自動車タイヤ、ガスケット、室内装飾などの印刷に使用されるゴム材料やセラミック材料、宝飾品や美術品に使用されるガラス材料もあります。

製品設計における3Dプリントの応用
1. おもちゃ
3Dプリント技術の普及と浸透により、玩具の設計と製造にカスタマイズの概念が取り入れられ、誰もが生産者になれるようになり、資源とエネルギーの無駄が大幅に削減されます。 2015年、Dream Factoryという会社が、4～10歳の子供向けに特別に設計された「Buddyracers」という3Dプリント都市玩具を発売しました（図1）。「Buddyracers」シリーズは、Dream Factory の 3D ビルダーである Fabian Magri 氏と John Revilla 氏によって設計されました。この都市玩具セットには、建物、樹木、街路家具、キャラクター、車両などの 3D プリントモデルが 70 個含まれています。ドリームファクトリーによれば、これらの 70 個の 3D プリントモデルに加えて、子供たちは新しい 3D モデルをカスタマイズして作成することで、自分だけのおもちゃのコレクションを拡張することもできるという。ドリームファクトリーのチーフ 3D ビルダーであるヤニゾ氏は次のように語っています。「自動車 1 台を 3D プリントするには 1.5 時間かかり、キャラクター 1 体を作るのに 20 分かかります。これらのモデルは、印刷時間を短縮し、サポート構造を必要としないように、設計の初期段階で慎重に作成されます。」

2. ホーム製品
3D プリント技術は従来のモデリング理論を打ち破り、従来の製造プロセスでは製造が困難または不可能な多くの家具を生産することができます。パリのメーカーフェアで、Drawn は独自に設計した Galatea 3D プリンターを使用して Babylon Chair を作成しました。

見た目からすると、表面品質は非常に均一で、各層は非常に滑らかで一貫しています。層ごとに積み重ねて形成される線の円は、家具をよりユニークで美しくし、強い視覚的インパクトを与えます。イタリアの 3D プリンターメーカー Sharebot とイタリアの家具会社 Nespoli は、3D プリント家具のソリューションであるブロックボードボワズリーを共同開発するために提携しました。ネスポリ氏とそのパートナーは、装飾要素を 3D スキャンして任意のサイズに拡大縮小できる 3D モデルを作成し、Sharebot XXL 3D プリンターを使用してブロックボードの壁板を製造しました。この3DプリンターはFFF（溶融繊維造形）技術を採用しており、700mm×250mm×200mmの高精度なオブジェクトを印刷できます。このプロジェクトは、デジタル製造と現代の製品を完璧に組み合わせ、ブロックボードの羽目板などの装飾要素を 3D プリントすることを可能にし、何世紀にもわたって存在してきた伝統的な技術を完成させます。

3. 文化と娯楽
1. 美術品および装飾品
3D プリント技術の成熟により、もともと手作業では困難だった作業が容易になり、3D プリントされたパーソナライズされた花瓶など、アーティストの創造的なインスピレーションも刺激されています。石膏粉末をバインダーと混ぜて印刷ノズルに注入し、層ごとに印刷します。製品が形成された後にシーラントを使用して、耐久性とより鮮やかな色を確保します。3Dプリントにより、ユニークな形状のデザインが実現します。

2. 楽器<br /> ミシガン大学の工学部の学生であるダニエル・オルソンさんは、デスクトップ3Dプリンター（MendelMax 2.0 3Dプリンター）を使用して、3バルブのトランペットを完全に印刷しました。これは17個の個別のパーツ（ABS素材を使用）で構成されており、最終的に組み立てられて、見た目も手触りも通常のトランペットのような作品になりました。音楽を演奏できますが、音質は良くありません。

3. パーソナライズされた消費財<br /> 3D プリントでは、比較的複雑な形状のさまざまなアクセサリーを製造できるため、3D モデルデザイナーが慎重に設計した、見た目が美しく耐久性のあるさまざまなスタイルの 3D モデルを表示できます。 Polychemy は 3D 印刷技術を使用して、高度にパーソナライズされた携帯電話ケースを印刷します。強度と柔軟性に優れたポリアミドプラスチックで作られており、3Dプリンターで印刷してから彫刻されています。 Polychemy では、指紋、渦巻き、迷路などの模様の携帯電話ケースも提供しており、デザインに自分の名前を組み込むこともできます。これらの 3D プリントされた携帯電話ケースは印象的で、実用的であるだけでなく、美しくスタイリッシュです。

4. カスタマイズされた靴
伝統的な靴作りでは、デザイナーのアイデアに正確に沿った靴を生産するために、デザイン、型作り、そして靴作りというプロセスを何千回も繰り返さなければなりません。 2013年、アール・スチュワートは、ウェリントンのビクトリア大学のロス・スティーブンスの指導の下、「XYZ シューズ」をデザインしました。「XYZ シュー」には 151XYZ と 098XYZ の 2 つのスタイルがあります。表示されているのは 151XYZ です。 Earl Stewart は、精密な 3D スキャン技術を使用して、パーソナライズされた 3D プリントシューズを製造しています。各シューズは 3D スキャナーを使用してユーザーの足をスキャンし、正確な寸法を取得します。次に、データはさまざまな材料で作られた 3D 印刷デバイスに送信され、スキャンされたデータが正確なオブジェクトに変換され、最終的に柔軟で快適なパーソナライズされたシューズが設計および製造されます。これはデザイナーの要件を満たすだけでなく、ユーザーのニーズも満たし、カスタマイズ、パーソナライゼーション、高品質の製品の小ロット生産における 3D プリントの利点を十分に実証します。

製品設計における3Dプリントの課題

3D プリンティングには、機器サプライヤー、材料サプライヤー、設計ソフトウェアサプライヤー、デザイナー、クラウド機器サプライヤーという 5 つの主要なサブ産業があります。製品デザインの分野では、3D プリント技術がデザイナーの創造力を刺激してきましたが、デザインソフトウェアの改善やより正確なモデル出力形式の面で解決すべき問題がまだ残っています。 3D プリント技術はデザインと完璧に組み合わせることができることが、現在の多くの事例で証明されていますが、それをどのように製品化し、実行可能な産業チェーンを形成するかが重要な課題となっています。

たとえば、3D プリント家具は材料とプロセスによって制限されており、従来の製造プロセスの利点はありません。一方、3D プリント材料の環境への配慮など、さまざまな指標は、専門部門によって権威あるテストと認証を受ける必要があります。現在では 3D プリンターを使用して大型の家具を印刷することが可能になっていますが、価格は非常に高額です。しかし、家具の接続構造や複雑な構造の家具の製造に関しては、3Dプリント技術を従来の製造プロセスと組み合わせて相互に補完し、より快適で美しい家具を製造することができます。

3D 印刷技術は継続的な発展段階にありますが、固有の欠点があります。3D 印刷技術の相対的な単純さにより、材料の更新が制限される一方で、新しい材料の継続的な研究開発により、技術の更新が促進されます。この 2 つは相互に補完的です。ただし、3D 印刷技術は、印刷時間が長く、印刷サイズが限られており、大量生産ではコスト上の利点がないため、従来の製造プロセスに取って代わることはできません。製品デザインの分野では、より正確で高速な印刷技術と、より豊富な印刷材料が必要です。

上記の例から、3D プリント技術が製品設計の分野に応用されていることがわかります。製品設計の分野では、3Dプリント技術はパーソナライズされた製品のニーズを満たし、複雑な構造の製品の製造を実現し、デザイナーの創造的なインスピレーションを刺激し、デザイナーと一般の人々を密接に結びつけ、製品設計に新たな活力をもたらし、その発展の見通しは非常に広いです。同時に、3Dプリント技術は設計、技術、プロモーションの面でいくつかの問題を抱えていますが、将来、この技術が成熟し発展するにつれて、製品設計の分野でより広く使用されるようになることは間違いありません。

編集者: 南極熊著者: Fu Hang Li Peng

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