[人民郵電] 3D プリンティングはスマート製造業にどのような弾みを与えるのでしょうか?

製造業に革命を起こす可能性

近年、人間の臓器の3Dプリントやパーソナライズされた衣服の3Dプリントなどの独創的なアイデアが公表され、3Dプリント技術が世間の注目を集め始めています。技術的な観点から見ると、3D プリンティングは、3 次元のデジタルモデルに基づいて材料を層ごとに積み重ねてオブジェクトを構築する積層製造技術です。物体を造る際、従来の製造工程では通常、余分な材料を取り除くために切断や穴あけなどの「減算的」手法が使用されますが、3D プリントではまったく逆のコンセプトが使用されます。コンピューターソフトウェアの制御下で、材料が層ごとに積み重ねられ、物体がゼロから造られます。

3Dプリンティングは、クールな最先端技術であるだけでなく、製造業に革命を起こすと期待される「潜在株」でもあります。 3D プリントは製造プロセス全体に導入できるため、コストを節約し、進捗をスピードアップし、材料の無駄を減らすことができます。設計プロセスでは、3D プリント技術の助けを借りて、デザイナーはより大きな自由と創造的空間を獲得し、形状の複雑さの影響を考慮することなく、製品形状の創造性と機能革新に集中することができます。これは、3D プリントにより、ほぼあらゆる形状のオブジェクトの構築を完了できるためです。生産工程では、3D プリントにより、特別な金型製作やその他のプロセスを必要とせずにデジタルモデルから直接部品を生成できるため、コストを節約できるだけでなく、製品の発売も迅速化できます。

さらに、従来の製造プロセスでは通常、部品の鋳造、研磨、組み立ての際に廃棄物が発生しますが、3D プリントを使用すると、同じ部品を一度に形成できるため、廃棄物はほとんどまたはまったく発生しません。流通リンクでは、3D プリンティングが既存の物流流通ネットワークに挑戦する可能性があります。将来的には、部品をメーカーから購入して輸送する必要がなくなり、代わりにメーカーのオンラインデータベースから3Dプリントモデルファイルをダウンロードし、ローカルで素早くプリントするようになるだろう。そうなると、グローバルな部品倉庫と配送システムの存在意義が失われるかもしれない。

プロトタイピングアプリケーションは

3D プリンティングは技術ではなく、一連のラピッドプロトタイピング技術の総称です。 3D プリント技術は、基本原理の違いにより、材料押し出し、材料噴射、シート積層および容器内光重合、直接エネルギー堆積、粉末床溶融結合、バインダー噴射の 7 つのカテゴリに分類できます。各主要カテゴリはさらに異なるプロセスに細分化できます。一般に、各プロセスには独自の長所があり、さまざまなシナリオに適しています。

現在、3D プリントはプロトタイピングに広く使用されています。さまざまな業界や分野でのプロトタイピングには、3D プリントの材料、プロセス、パフォーマンスに対する独自の要件があります。医療用模型の製造では、模型の表面品質と精度に高い要求が課されることが多いですが、耐久性と長期保存は要求されません。そのため、容器内光重合技術が一般的に使用され、液体感光性樹脂などの材料を使用して、超高精度の歯科用鋳型、医療用模型などを印刷します。自動車、エレクトロニクスなどの業界でのテストモデルの製造では、成形速度に対する要求が高いため、バインダージェッティング技術が使用されます。この技術の欠点は、印刷精度が低く、成形部品の強度が低いことです。消費財の分野では、創造的なおもちゃや家庭用品のモデルを作る必要がある場合、通常は材料押し出しプロセスが使用されます。印刷設備と材料のコストが低く、操作が簡単です。

直接部品製造のシナリオでは、通常、強度や硬度などの機械的特性に対する要件が高くなります。そのため、直接エネルギー堆積法や粉末床溶融結合法など、金属材料を使用できるプロセスが一般的に選択されます。その中で、直接エネルギー堆積技術は、チタン、ステンレス鋼などを原料として、レーザーや電子ビームなどの熱源を利用して高性能の金属部品を構築することができ、航空宇宙などのハイエンドエンジニアリング分野の複雑な部品を直接製造することができます。粉末床溶融結合技術では金属材料を使用して部品を直接製造することもできますが、粉末床のサイズによって構築サイズが制限されるため、大きな部品の構築が困難です。

一時的に小規模市場に限定

3Dプリント技術は30年以上前から存在していますが、技術の成熟度などの要因により、その応用は製品設計や模型製造などの小規模市場に限定されてきました。今後、3Dプリンティングの応用分野を拡大していくためには、印刷精度、密度、速度、印刷コストなどの問題を解決することが最も基本となります。そのため、業界関係者は才能を発揮し、これらの問題に関する技術研究を実施し、3Dプリント技術の大規模な応用を推進してきました。

加熱源を改良することで印刷精度を向上します。レーザー加熱源の中でも、超短パルスレーザーのビーム作用範囲はより集中しており、加工精度を大幅に向上させることができます。ドイツのTETRA社は、超短パルスレーザーを使用して液体感光性材料を硬化させる2光子重合プロセスに基づくナノスケール3Dプリンターを発売した。 TETRA が使用するレーザーは、波長が 780 nm、パルス持続時間が 120 fs 未満であるため、硬化領域の直径が少なくとも 100 ナノメートル未満となり、非常に高い印刷精度を実現します。

材質の改良などにより印刷密度を向上します。 3D プリンターメーカーの ExOne は、新しい 3D プリント材料であるインコネル合金 625 を発売しました。この材料の密度は 99% を超えており、バインダージェッティング技術を使用して、航空宇宙などの分野で使用される高密度金属材料を印刷できます。バージニア工科大学は、銅粉末を使用して部品を印刷するバインダージェッティングの原理に基づいた新しい金属 3D 印刷プロセスを開発しています。研究開発チームは、焼結プロセス中に生じた隙間を埋めて部品の密度を高めるために、バインダーにナノ粒子を追加しました。

ノズル技術を改良し、3D プリント処理速度を向上させます。日本の東芝は、独自の流体シミュレーション技術を使用して、粉末材料を非常に小さな領域にのみ塗布する新しいノズルを開発しました。これにより、レーザーが小さな領域を正確にカバーできるようになり、レーザー金属堆積の時間が大幅に短縮され、最大110cc/時の印刷速度が実現しました。フランスの BeAM 社は、高エネルギーレーザーを作動させながら金属粉末の流れを噴射する独自のノズルシステムを使用する直接エネルギー堆積技術を開発しました。この技術により、印刷速度は 300cc/時まで向上します。

印刷機器と材料の面で 3D 印刷コストを削減します。米国のノースカロライナ州立大学は、プロ用レンズや電子ビームなどの高価な装置に頼らず、代わりにナノマイクロスフィアを使用して光モデルを形成する新しいフォトリソグラフィー技術を開発し、コストを大幅に削減しました。英国の金属材料メーカーMetalysisは、自動車や航空機部品の3Dプリントに使用できる低コストのチタン金属粉末を開発した。 Metalysis のプロセスにより、チタン粉末の製造プロセスが大幅に簡素化され、チタン粉末の製造コストが 75% 削減され、ステンレス鋼の価格に近くなります。

私の国はまだ完全な産業システムを形成していない

我が国は3Dプリンティング産業を非常に重視しており、当初から研究開発システムを確立し、小規模な応用市場を形成してきました。 2015年2月、工業情報化部、国家発展改革委員会、財政部は共同で「国家付加製造産業発展促進計画（2015～2016年）」を発行し、3Dプリントの発展に強力な政策支援環境を提供しました。 3Dプリント技術の研究開発に関しては、清華大学、北京航空航天大学、華中科技大学などの大学が先頭に立って、いくつかの重要な分野で画期的な進歩を遂げています。技術研究開発の過程で、大学は特許付与や技術投資を通じて企業を設立し、3Dプリント技術成果の産業化を加速させました。現在、中国では数十社の3Dプリント製造設備・サービス企業が誕生し、小規模な産業市場が形成されつつあります。

しかし、我が国の3Dプリンティング産業はまだ初期段階にあり、完全な産業システムをまだ形成していません。 3Dプリント材料などの主要なコア技術の基盤が弱く、3Dプリント材料、特に金属3Dプリント材料を生産する企業が少なく、輸入に大きく依存しているため、3Dプリントのコストが高く、産業化プロセスに影響を与えています。

全体的に、私の国は 3D プリント技術の開発の出発点が高く、市場スペースも巨大です。そのため、我が国は3Dプリント産業の健全かつ秩序ある発展を加速させるために、さまざまな角度から取り組む必要があります。

3Dプリント技術成果の産業化を加速します。
大学や研究機関が3Dプリント技術の研究成果を速やかに産業界に移転することを奨励します。 3Dプリンティングイノベーションセンターの設立などにより、イノベーションチェーンと産業チェーンの緊密な連携を推進します。イノベーションセンターを拠点として、大学、研究機関、企業間の共同研究や、3Dプリント技術や特許の譲渡・取引などを行っていきます。

3Dプリント材料技術の研究開発を強化します。
わが国における3Dプリント材料の種類と性能は限られており、特に金属材料の製造においては依然としてボトルネックがあり、3Dプリントの推進と応用のニーズを満たすにはほど遠い状況です。したがって、我が国は材料の研究開発を強化し、完全な印刷材料システムを形成する必要があります。一方で、当社は大学や科学研究機関に依頼して3Dプリント材料の特性を研究し、航空宇宙産業や防衛産業などの重要分野のニーズに応えて、より高い機械的特性を持つ金属材料を開発しています。一方、材料メーカーは、既存の3Dプリント材料の種類を拡大し、生産プロセスを革新し、3Dプリント材料の価格を下げることが奨励されています。

3Dプリントと伝統工芸の融合を奨励します。
3D プリンティングと従来の製造プロセスの間には技術的な補完の可能性があります。金属3Dプリントに関して言えば、現在の技術発展の観点から見ると、従来のCNCの加工精度は金属3Dプリントよりも依然として高く、3Dプリントで製造できる部品の複雑さはCNCよりもはるかに高いです。そのため、3Dプリントと従来のCNC加工を組み合わせることは合理的で経済的な製造方法です。私の国では、3D プリントと従来のプロセスの組み合わせを奨励することで、従来の製造業における 3D プリントの応用と推進を加速することができます。

出典：中国情報産業ネットワーク-人民郵電

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