この投稿は Little Soft Bear によって 2017-6-13 15:35 に最後に編集されました。
3D プリンティングは製造業の発展の将来の方向性の 1 つですが、既存の技術の限界と材料の不足により、3D プリンティング技術は現時点では実用的応用よりも実験的な用途の方が多い状況です。コペンハーゲン未来研究所（CIFS）名誉所長のヨハン・ピーター・パルタン氏は、私たちの社会は新しい技術の可能性を過大評価する一方で、その長期的な潜在力を過小評価する傾向があると述べている。 Antarctic Bear は、3D プリント技術の今後の発展には無限の可能性があると考えています。次に、なぜ積層造形を開発する必要があるのかを見てみましょう。 （記事は2部に分かれており、これは後半部分です）
3. 積層造形開発の現状
1. 技術とプロセスの現状<br /> 付加製造技術の登場以来、12 を超える新しいプロセス、システム、機器が導入されてきました。 2012 年 1 月に米国材料試験協会 (ASTM) の積層造形技術に関する F42 委員会が発行した標準規格「積層造形技術の標準用語 (ASTM F2792-12)」によれば、このプロセスは次のように簡潔に定義されています。「通常は層を重ねて 3D モデル データからオブジェクトを作成するプロセスであり、減算型製造技術とは対照的です」(図 6 を参照)。
付加製造は、そのプロセス特性に応じて、粉末床溶融、指向性エネルギー堆積、材料噴射、バインダー噴射、材料押し出し、容器内光重合、およびシート積層の 7 つのカテゴリに分類できます。これを基に、英国の積層造形特別利益団体 (AM SIG) は、7 つの主要プロセスをさらに改良し、10 を超える分岐プロセスを分類しました。表 1 は、各プロセスの基本的な説明、対象市場、使用される材料システム、関連する分岐プロセス、および関連する代表的な企業や機関など、さまざまな積層造形プロセスの全体的な状況をまとめたものです。
市場の観点から見ると、積層造形はサンプルの試作、金型製作、直接部品製造、部品のメンテナンスや修理などの分野で使用できます。サンプルプロトタイピングは、積層造形が最初に参入した市場です。サンプルプロトタイピングは、製品の最高のパフォーマンスを実現するために、サイズ、構造、機能の観点からモデルの設計を評価および最適化するために使用されます。金型製作では、すでに積層造形法を用いたインベストメント鋳造や砂型鋳造が行われており、この技術はシリコン型やウレタン鋳造などの製造にも使用できます。直接部品製造は、積層造形の中で最も急速に成長している分野です。最終製品の製造に直接使用できるため、この分野は積層造形アプリケーション市場で第 1 位に躍り出ました。
付加製造は、特に使用される部品が非常に高価な場合に、コンポーネントのメンテナンスや修理にもますます使用されるようになっています。この技術は、損傷の少ない大型部品の修復に使用できます。修復によって発生する残留応力が非常に小さいため、熱変形に非常に敏感な部品に最適です。異なる付加製造プロセスには、適用可能な市場が異なります。これらのプロセスのほとんどはモデル製造で一般的に使用されていますが、直接部品の製造、部品のメンテナンスや修理には、対応する特別な技術プロセスを選択する必要があります。
2. 申請状況<br /> 付加製造には独自の利点があるため、この技術は近年、航空宇宙、医療、文化的創造、民生用電子機器、軍事産業など多くの分野で応用されています。
表 2 は、7 つの主要な技術プロセスと使用される材料システムに基づいて、国際的に登場した関連アプリケーションの詳細な分析を示しています。表からわかるように、各プロセスには独自の長所があり、さまざまなアプリケーション領域に適用できます。さまざまなプロセスを選択する際の主な考慮事項には、プロセスの生産速度、使用可能な材料の種類、製品のサイズ制限、製品の表面の滑らかさと精度、製品の機械的特性、機械と材料のコスト、操作の容易さと安全性などがあります。
たとえば、指向性エネルギー堆積プロセスでは高性能の金属部品を製造でき、ハイエンドのエンジニアリング分野で広く使用されています。対照的に、バインダー ジェッティングと材料押し出しプロセスでは、サンプルの試作や手工芸品の生産に主に使用される高忠実度の部品を製造できますが、製品の機械的特性が悪いため、航空宇宙などの分野には適していません。粉末床溶融結合法は最も広く使用されているプロセスです。このプロセスでは金属およびポリマー システムを使用でき、積層造形のほとんどの分野で使用されています。 多くの分野の中でも、航空宇宙、バイオメディカル、クリエイティブ産業における積層造形技術の応用が最も急速に発展しています。表 3 に、いくつかの典型的な応用例を示します。航空宇宙分野では、積層造形は、その独自の応用上の利点と、高精度、複雑な形状、小ロットの生産要件を満たす能力により、この分野で広く使用される技術になりつつあります。
ボーイング社は、民間航空機および軍用航空機で使用するために、約 20,000 個の付加製造部品を生産しました。このうち32個の部品がボーイング787ドリームライナーに使用されています。エアバスは現在、軽量着陸装置、キャビン、冷却システムなど、さまざまな付加製造製品をテストしている。バイオメディカル分野は、付加製造技術のもう一つの重要な応用分野です。これまでに成功裏に応用された製品には、頭蓋骨インプラント、股関節置換術、歯冠、in vitro モデルなどがあります。
3Dプリント矯正骨インプラントを使用している患者は、世界中で3万人以上いると推定されています。スウェーデンのArcam社だけでも、FDA認可およびCE認証を受けたインプラントを2万個以上生産しており、米国のInvisalign社は透明な3Dプリントカスタム矯正器具を200万個以上販売しています。また、シーメンスなどの企業が3D技術を使用して製造した補聴器も主流の製品となっています。さらに、クリエイティブ産業における付加製造も急速に発展しています。ますます人気が高まっている 3D プリントの肖像画モデル、装飾品、工芸品に加えて、付加製造技術はより多くの製品の作成にも拡大しています。 2013年のパリ・ファッション・ウィークでは、ベルギーの企業Materialiseが3Dプリント技術を使用して制作したファッション作品が発表され、複雑な幾何学模様とユニークな素材の完璧な組み合わせを実現しました。図 7 に、積層造形製品のいくつかの例を示します。
4. 積層造形の今後の発展動向
1. 積層造形の今後の発展がさまざまな応用分野に与える影響<br /> さまざまな応用分野において、付加製造技術は短期的には従来の製造方法を置き換えるには不十分です。しかし、印刷材料の価格が下がり、印刷サイズと速度が向上するにつれて、さまざまな応用分野における積層造形技術の浸透が徐々に深まり、3Dプリントされた部品を含む製品、さらには完全に3Dプリントで製造された製品がますます使用されるようになるでしょう。 Wohlers Report 2013 で示されたビジョン (図 8) のように、私たちが目にしているのは氷山全体のほんの一部に過ぎないことが多く、海面下に隠れている巨大な氷山は、まだ開発されていない領域であり、積層造形の将来の可能性です。積層造形の将来像をまだ明確に描くことはできませんが、その技術開発の動向を予測することは十分可能です。
海抜の氷河は、プロトタイプやモデルの製造など、長年にわたって積層造形技術の積極的な応用分野となっています。海の底近くでは、医療用インプラントや金属航空宇宙部品などの付加製造が注目を集めています。さらに深い領域では、人間の臓器の「生きた」印刷や宇宙での 3D 印刷が期待されています。将来、付加製造技術がどのような驚くべき応用を実現するかはまだわかりませんが、こうした未知の分野での応用は非常にエキサイティングなものになるでしょう。 異なるセグメントにおける期待の観点から見ると、図 9 に示すように、積層造形技術が徐々に浸透していく方法が異なっていることがわかります。
航空宇宙や自動車分野では、積層造形は局所的な部品製造から全体的な印刷へと発展します。それに比べて、バイオメディカル分野では、徐々に「非生物」印刷から「生物」印刷へと進歩していきます。クリエイティブ業界にとって、付加製造技術の影響は製造方法の変化ではなく、クリエイティブなデザインパターンの段階的な変化です。よりマクロな視点から見ると、一般的な製造、サプライチェーン、ビジネスに対する付加製造の影響は、モデルイノベーション、つまり生産モデル、供給モデル、ビジネスモデルのイノベーションに起因すると考えられます。これにより、多くの新興中小企業が新たなアイデアで成長し、最小限の資本投資で急速に生産を拡大できるようになります。
機敏性と極めて短い製品発売サイクルを備えたこれらの新興企業は、将来の市場で強力な競争相手となるでしょう。大規模な設計・製造企業にとって、積層造形技術は IT と製造を統合するチャンスとなります。前述のように、積層造形は製造技術であるだけでなく、デジタル技術でもあります。インターネットによって形成される「情報物理システム」は、そのオープン性と普及性により、将来のイノベーションのための幅広い舞台を構築することになるでしょう。 NASA ジェット推進研究所の戦略に述べられているように、「IT」の意味は情報技術から共同イノベーションへと変化しました。
2. 積層造形が将来世界経済に与える影響<br /> 積層造形産業は現在、世界市場でのシェアは小さいものの、その発展スピードと潜在的な付加価値能力は驚異的です。 McKinsey Global Institute の調査によると、2025 年までに、付加製造が世界経済に与える年間影響は 2,300 億～ 5,500 億米ドルに達すると予想されています (図 10 を参照)。
中でも、高付加価値の3Dプリント製品の直接消費は、1,000億～3,000億米ドルの規模で経済に最も大きな影響を与えるとみられる。部品生産市場と金型製造市場への経済的影響は、それぞれ1,000億～2,000億米ドル、300億～500億米ドルに達すると予想されます。上記2つの市場では、積層造形技術の活用により、製品製造工程における原材料や前処理工程の無駄が削減され、生産コストが40%～55%削減され、製品の市場シェアが30%～50%に増加すると予想されています。 現在、世界の製造業の GDP は 7 兆米ドルを超え、世界の労働力の 12% (3 億 2,000 万人) が関わっています。長期的には、積層造形技術の応用と推進は世界経済に大きな影響を与えるでしょう。ただし、その影響の程度は、この技術の今後の発展の方向性に依存します。実際、積層造形の推進により、製造における労働要素の重要性が大幅に低下し、生産コストと人件費が削減されます。
しかし、将来どれだけ市場浸透率が高まったとしても、この技術は万能ではなく、製造業のあらゆる分野に適用できるわけではありません。英国の付加製造コンサルタント会社エコノリストは、過去7年間で230の製品と企業を評価しました。分析結果によると、さまざまな理由により、現在80％の製品が付加製造技術を使用した生産に適していないことがわかりました。実際、現段階では、積層造形の目を引く革新的な応用のほとんどはまだデモンストレーションやプロトタイプに過ぎず、そのコストや実用性は無視されることが多いのです。先進的な製造技術の一部として、付加製造の将来の発展は、技術開発と応用市場によってさらに試されることになるだろう。コペンハーゲン未来研究所（CIFS）名誉所長ヨハン・ピーター・パルダンス氏の言葉を引用すると、「私たちの社会は、新しいテクノロジーの可能性を過大評価する一方で、その長期的な潜在力を過小評価する傾向があります。」
したがって、添加剤の開発の機会をつかみ、私たちが直面している課題と困難に積極的に対応する必要があります。複雑な医療用インプラントとカビの消費輸送車両の3,000億米ドルの消費量は、世界の射出成形プラスチックカビ市場で4700億米ドルの関連製品の中で3600億米ドルです型消費者が介入すると仮定すると、関連製品（おもちゃなど）の5％から10％を3Dプリントできます。各3Dプリント製品の付加価値は60％から80％になります。製品の価格は35％から60％低下します。パーソナライズされた製品の価値は10％増加します。2025年に推定される潜在的な影響。2025年の潜在的な大規模生産能力または収益/10億米ドル。技術と産業の発展の程度を合理的に評価することによってのみ、この高度な技術の迅速かつ健全な発展を促進し、そのビジョンを現実に変えることができます。
エコノミストの「第三次産業革命」特集記事で述べられているように、製造業の革命は一夜にして起こったわけではなく、長い時間をかけて進行してきたものです。他のデジタル技術と同様に、付加製造はすでにコストと生産効率の面で優位性を実現しており、この業界におけるブレークスルーは止められないでしょう。 3D プリンティングでは、すでに製品を 1 つずつ、または少量バッチで生産することが可能になっています。将来的には、デジタル製造を組み合わせ、各作業台で異なる製品を生産できるようにすることで、大規模なカスタマイズ生産が可能になります。その時までには、テクノロジーはすでに普及していました。 10年後、20年後にフランクフルト展示ホールを訪れた人々は、展示ホールの前にある「ハンマー使い」の像に興味を持つだろう。高さ 21 メートルのこの像は、ハンマーを持ち、腕を上下に動かして金属片を叩きながら何をしているのでしょうか?
編集者: 南極熊 著者: 于昊 (北京新材料開発センター)、黄耀 (北京石油機械工場)
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カビ、航空、航空宇宙、医療、生物学 |
