デジタルツインを3Dプリントに統合する理由

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-8-19 16:46 に最後に編集されました

南極熊紹介:デジタルツインって聞いたことありますか?このコンセプトは、宇宙船の物理モデルにデジタルコンポーネントを組み込むことで、起こりうる障害シナリオを評価できるように、アポロミッションの動的モデルを作成するために 1960 年代に初めて提案されました。それ以来、コンセプトは進化してきましたが、中心となる考え方は変わりません。

本質的に、デジタルツインは、物理的なオブジェクトの状態を正確に反映するように設計された仮想モデルです。 IBM によれば、デジタルツインとは「オブジェクトまたはシステムのライフサイクル全体にわたる仮想表現であり、リアルタイムデータに基づいて更新され、シミュレーション、機械学習、推論を活用して意思決定をサポートします」。デジタルツインはモデリングと混同されることがよくありますが、それ以上のものです。デジタルツインで使用されるアルゴリズムと数学的演算により、ユーザーは部品の動作を予測できます。これは、部品が 3D 印刷技術を使用して製造される場合に特に重要です。

現在、デジタルツインは、製造業から医療業界、さらにはインテリアデザインに至るまで、さまざまな分野で応用されています。さらに、積層造形での使用も増加しています。 Markets and Marketsによると、デジタルツイン市場は2022年に69億ドル（約492億元）と評価され、2027年までに約735億ドル（約5,246億元）に成長すると予想されています。この展開は本当に驚くべきものだ。では、3D プリントでデジタルツインを使用することの具体的な利点は何でしょうか?応募する前に知っておくべきことは何ですか?これについては南極のクマによって詳しく研究されています。

△将来的には、デジタルツインは3Dプリント、特にタービンなどの部品にますます利用されるようになるだろう。
3Dプリントにおけるデジタルツインの活用

デジタルツインと付加製造は、インダストリー 4.0 において重要な役割を果たすと広く考えられています。しかし、この 2 つが融合し始めたのはごく最近のことです。多くの研究で、3D プリントとデジタルツインの組み合わせは非常に相性が良いことが示されていることは注目に値します。これは、積層造形が本質的にデジタルプロセスであるためです。オンライン設計からスライスソフトウェア、印刷プロセス全体を監視するプログラムまで、自動化と人工知能は積層造形において重要な用途を見出しています。デジタルツインは、このプロセスをさらに強化できるツールです。

では、デジタルツインを 3D プリントに効果的に適用するにはどうすればよいでしょうか?まず、デジタルツインを 3D プリントに統合する具体的なプロセスを検討する必要があります。前述したように、デジタルツインの基盤は 3D モデルであり、これはコンピューター支援設計 (CAD) ソフトウェアまたはジェネレーティブデザインソフトウェアを使用して作成できます。さらに、対象部品の正確なモデルを生成できるため、3D スキャン技術の使用がますます普及しつつあります。初期設計以外にも、Siemens、Simio、Netfabb など、デジタルツイン (3D プリントを含む) 専用に設計されたソフトウェアプログラムがすでに市場に出回っています。これらのソフトウェアはデジタルツインの統合プロセスを簡素化し、それによって積層造形の広範な応用を促進します。さらに重要なのは、デジタルツインは製品を真に再構築できるため、スペアパーツのリバースエンジニアリングなどのアプリケーションシナリオにおける可能性も明らかであるということです。

△デジタルツインと3Dプリント技術は産業発展にとって切り離せないものです。最後に、デジタルツインにはさまざまな形式があり、特別な考慮が必要であることにも注目すべきです。レポートによると、積層造形におけるデジタルツインは、プロセスデジタルツイン、設備デジタルツイン、施設デジタルツイン、製品デジタルツインの4つのカテゴリーに分類できます。名前が示すように、これらのカテゴリは製造プロセス内のさまざまな領域を対象としています。プロセスデジタルツインは、設計、製造、保守をサポートするために 3D 印刷プロセスのデジタルバージョンを複製するために使用されます。同様に、機器のデジタルツインはプリンターを複製し、メンテナンス作業に重要な情報を提供できます。施設デジタルツインは最初の 2 つを組み合わせたもので、工場全体の規模をカバーします。最後に、製品デジタルツインは、製品や部品の仮想表現であり、パフォーマンスを予測するために最適化、テスト、設計、分析することができます。

△3Dプリントにおけるデジタルツインの活用例
デジタルツインを3Dプリント技術に統合する理由

デジタルツインと 3D プリントを組み合わせると、特に部品の品質管理の面で多くの利点がもたらされます。 3D プリンティングは当初のラピッドプロトタイピング技術から大きく進化しましたが、最終用途の部品が市場に投入されるにつれて、品質管理は依然として問題となっています。実際、3D プリントでは、その性質上、印刷の失敗を防ぐために正しいパラメータを確保するために、広範囲にわたるテストが必要になることがよくあります。しかし、これはコストと材料の削減というこの技術の2つの最大の利点とはまったく対照的です。

幸いなことに、デジタルツインはこの問題を効果的に解決できます。デジタルツインを使用すると、ユーザーはフィードバックを通じて生成される継続的なデータストリームを通じてパラメーターを直接評価できるため、物理的なテストを行わなくてもこれらのパラメーターを最適化できます。さらに、デジタルツインを使用することで、3D 印刷プロセス全体をリアルタイムで監視できるため、最終的な印刷の精度が向上します。これにより、一貫性も向上するため、特にレーザー粉末ベッドプロセスなどの方法による金属 3D プリントを含む、より工業化されたプロセスにおいて、3D プリントの品質管理がより信頼性が高くなります。

さらに、前述のように、デジタルツインは個々のコンポーネントにのみ適用できるわけではありません。実際、工場のフロア全体で使用できます。これにより、3D プリンターの「ファーム」を個々のレベルだけでなく、工場全体で最適化して生産効率を高めることができるため、産業化された付加製造が特に実現可能になります。

しかしながら、実際の応用においては依然としていくつかの困難や問題が残っています。デジタルツインの実際の定義と開発は、フレームワーク自体があまり知られていないこともあり、依然として非常に困難です。しかし、デジタルツインと 3D プリントの組み合わせが速ければ速いほど、これらの障害はより早く克服されるでしょう。そして、特に人工知能やより洗練された機械学習ツールの使用の増加により、これはすでに大規模に起こっています。今後、デジタルツインと 3D プリンティングがどのように融合され、どのような新たなダイナミクスが生まれるのか、楽しみにしています。

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