自動車：ポリマー積層造形と金属積層造形、どちらが優れているのでしょうか?

この投稿は Coco Bear によって 2024-5-10 21:29 に最後に編集されました。

はじめに: プロセスの高速化とコスト効率の向上に伴い、自動車産業は積層造形技術の次の主要な成長分野となるでしょう。現在、AM は高級車 (すでにある程度金属 AM を生産に採用している市場セグメント) やモータースポーツ (カスタマイズに AM が広く使用されている) など、自動車業界での高まる需要をサポートするのに十分です。では、自動車分野ではポリマー積層造形と金属積層造形のどちらが優れているのでしょうか?

自動車産業におけるポリマー付加製造

自動車の付加製造（ラピッドプロトタイピングの形態）は、1980 年代後半に最初の付加製造技術が登場して以来、自動車産業の中心となっています。ゼネラルモーターズは、3D Systems の SLA-1 という 3D プリンターを導入して使用した最初の企業の 1 つです。それ以来、付加製造はモータースポーツや高級限定車など自動車産業の新しい分野に参入し、自動車産業に新たな領域を開拓し、大量カスタマイズの可能性を実現しました。

●自動車分野における積層造形の次の最終段階は、積層造形がサプライチェーンと生産のダイナミクスを根本的に変え、ツールの標準となり、スペアパーツとスクラップ管理に新たな可能性をもたらすことです。
●自動車の積層造形の究極の目標は、積層造形技術を使用して自動車部品の大量生産をデジタル化し、さらに自動化し、車両の大量カスタマイズの機会を提供することです。

特に、電気自動車 (EV) と水素モビリティの開発は、付加製造の導入から恩恵を受け、さらに促進するでしょう。まず、新しい推進パラダイムに基づく次世代車両を迅速に開発するために、大規模な試作が必要であるためです。第二に、重量の最適化と統合コンポーネントは、車両の走行距離を延ばし、エネルギー消費を削減するための重要な要件です。

△エアテックは、エアテックのダルトラム印刷樹脂とプリントテックの社内3D印刷サービスで作られた3D印刷金型を使用してポルシェレースカーの空力強化を提供することで、BBiオートスポーツの車両製造を支援しています。

自動車産業は大量生産に AM を採用した最初の主要産業の 1 つであるため、このパラダイムシフトは AM とグローバル製造の両方に極めて重要な影響を及ぼし、原材料からグローバル製造まで、部品生産に関連するすべての産業に及びます。世界の自動車市場の規模が非常に大きいことを考えると、自動車の付加製造技術の開発には大きな可能性があります。ホットパウダーベッドフュージョン（MJF、HSS、SAF）や高速光重合（DLS、cDLMなど）などの高スループットの付加製造技術が成熟するにつれて、自動車分野でのポリマー付加製造アプリケーションの継続的な開発が見込まれます。

自動車部門とそのサブ部門の生産要件は、基本的な特性（高い生産性要件、材料コストの低さ、高度に自動化された生産、地政学的状況、サプライチェーンのダイナミクス）とマクロトレンド（推進システム、マスカスタマイゼーション、スマートモビリティ、接続性、デジタル化）に加えて、変化するトレンド（需要、規制、規模の経済）により、独特です。

ほとんどの自動車メーカーは既に量販車の製造に AM を導入する戦略を策定しており、AM ハードウェアメーカーは導入の時期を心待ちにしていますが、近い将来、AM の導入のほとんどは、モータースポーツ (F1、NASCAR、小規模な競技会や研究レース) やワンオフ車両向けの大規模生産から、バス、トラックなどの商用車を含む量販車まで、より具体的でターゲットを絞ったセクターで行われるようになるでしょう。

自動車産業における金属積層造形

現在、量産自動車用金属部品の 3D プリントは未だ実現が難しく、金属積層造形の生産性における大きなパラダイムシフトが必要であり、金属 3D プリント技術はまだ商業レベルでは完全には導入されていません。同時に、いくつかの金属 PBF (AddUp、SLM Solutions、EOS、Velo3D) 技術がますます開発され、自動車業界やタイヤ業界の金型製造に使用されるようになっています。

金属 3D プリントは自動車業界で多面的な役割を果たしています。
●プロトタイプやコンセプトカーのための重要なツールであり、設計の迅速な反復と新しいコンセプトの機能テストを容易にし、最終的に開発プロセスをスピードアップします。
● 自動車メーカーが、エンジン部品、排気システム、さらにはカスタマイズされた内装機能など、特定のモデルや個々の顧客の好みに基づいてカスタムコンポーネントを作成できるようにします。

スーパーカーの製造（そして最終的には大量生産）における金属付加製造の最も注目すべき例は、Divergent によるものです。約 10 年前、ダイバージェントはレーザー金属 PBF の利点を最大限に引き出す生産方法を開発しました。これは現在ダイバージェントアダプティブプロダクションシステム (DAPS) と呼ばれており、DAPS がすべての国際基準と顧客要件を満たすことを保証する特別に設計された一連のツール、プロセス、および手順が含まれています。このプロセスは ISO、AS、IATF の認証を受けており、堅牢性と環境持続可能性を実証しています (現在、General Atomics の UAV 生産に実装されています)。

△Czinger C21車の3Dプリントギアボックスは、DAPSテクノロジーを使用してDivergentによって開発および製造されました。 Czinger C21 は、3D プリントされたシャーシと「最高の出力密度」の 3D プリントされた ICE エンジンを備えています。

金属 3D プリントは軽量でありながら強度の高い構造部品を製造できるため、車両全体の重量を軽減するのに役立ちます。これにより、燃料効率が向上し、性能が強化され、充電間隔が長くなるため、電気自動車時代に重要な利点がもたらされます。金属 AM プロセスを使用した電気自動車のパワートレインに関するさまざまな実験的アプリケーションがこれまでに行われてきました。その中には、ポルシェと SLM ソリューションズによるエンジンギアボックス用の 3D プリント電気駆動ハウジングも含まれており、AM は電気スポーツカーのより大型で高応力のかかるコンポーネントにも適していることを示しています。ドイツの新興企業 Additive Drives は、電気モーター用の高効率な銅 3D プリント巻線 (試作用) を開発しており、現在は完全に 3D プリントされた電気モーターを開発中です。

金属 3D プリントは、複雑で実現が難しい形状を作成できるため、熱交換器や冷却システムなどのコンポーネントに特に役立ちます。また、ターボチャージャーやサスペンション部品などの高性能部品も生産でき、車両の速度、操縦性、全体的な性能を向上させることができます。金属積層造形は、部品製造に加えて、工具、金型、固定具の製造によって製造プロセスを簡素化し、製造コストと納期を効果的に削減します。

△Azoth はバインダージェッティング技術を使用して、ゼネラルモーターズが製造する車両に搭載される初の金属 3D プリント部品を作成しました。

特に興味深い分野はクラシックカーやビンテージカーです。金属 3D プリントと 3D スキャンによるリバースエンジニアリングを組み合わせることで、希少な部品や廃止された部品を復活させ、オリジナルの生産ツールがすべて失われてしまった場合でも、これらの車の寿命を延ばすことができます。この技術の利点は、軽量で効率的なブレーキシステム、最適化された排気システム、そして要求の厳しいモータースポーツ業界での幅広い応用にも及び、F1 は現在、開発だけでなく最終使用部品にもチーム向けの積層造形技術の採用に積極的に取り組んでいます。最終的には、金属積層造形は、部品の現地生産を可能にし、大量在庫と長距離輸送への依存を減らすことで、自動車サプライチェーンの効率を継続的に向上させるでしょう。車両の安全性を確保するため、ロールケージの補強や衝撃吸収構造など、安全性に重要な部品をカスタマイズし、車両全体の安全性を向上させます。

△自動車分野におけるポリマー積層造形および金属積層造形向けハードウェア、材料、サービスの総売上高（2023～2033年予測）

自動車分野におけるポリマー積層造形と金属積層造形の分析

VoxelMatters Research は、2033 年末までに自動車部門の金属 AM 収益が 41% に増加する一方で、ポリマー AM 収益シェアは 10 パーセントポイント低下し、残りの 59% を占めると予測しています。ポリマー付加製造の収益は、2023 年の 8 億 5,000 万ドルから 2033 年には 79 億ドルに増加し、CAGR は 25% になります。一方、金属付加製造の収益は、2023 年の 3 億 7,600 万ドルから 2033 年には 54 億ドルに増加し、CAGR は 30.5% になります。

△自動車分野におけるポリマー積層造形および金属積層造形のハードウェア売上高（2023～2033年予測）

2023年には、自動車分野の積層造形ハードウェアからの収益は5億5,200万米ドルとなり、前年比20.8%増となります。2033年までにこの数字は60億米ドルに増加し、年平均成長率は27%になります。現在、ポリマー AM ハードウェアは自動車 AM ハードウェア販売の約 3 分の 2 (65%) を占め、金属 AM ハードウェアは 35% を占めています。 10年後には、ポリマーAMハードウェアの割合が57%に達し、金属AMハードウェアの割合が43%に達すると予想されています。

△自動車分野におけるポリマー積層造形と金属積層造形の材料売上高（2023～2033年予測）

調査では、自動車分野における付加製造材料からの収益は、2023年末の約1億6,000万ドルから2033年末には18億ドル以上に増加すると予測されています。金属は全材料収益の約30％を占めるに過ぎませんが、2023年までに自動車の積層造形における全材料収益の50％を占めるようになると予想され、その後もポリマー材料における市場シェアを拡大し続けるでしょう。

これは、金属 AM ハードウェアが高価値部品の生産において生産性を向上させるにつれて、金属がますます重要になり、また、サブアセンブリの削減と部品の性能向上によってより大きな価値を生み出せる大規模な製造アプリケーションにおいても重要になることを示しています。同時に、ポリマー AM 技術がより効率的になり、自動車部品の大量生産に適したものになるにつれて、ポリマー AM 材料の価格は大幅に下がり、低価格の部品であっても射出成形アプリケーションと完全に競合するようになります。

△自動車分野におけるポリマー積層造形および金属積層造形向け積層造形サービス組織の部品製品売上高（2023～2033年予測）

付加製造サービス組織向けコンポーネント製品の年間収益は、2023 年末の 5 億 1,600 万ドルから 2023 年末には 54 億ドルに増加し、CAGR は 26.4% になると予想されています。金属材料の収益ははるかに高いものの、2023 年と 2033 年の両方で収益の最大の割合を占めるのはポリマー AM 部品です。

この傾向にはいくつかの要因が影響しています。まず、データは AM サービスのみを参照します (一方、材料データは、OEM や Tier 1 および Tier 2 サプライヤーなど、すべての垂直自動車 AM エンドユーザーを含むすべての材料需要を参照します)。ポリマー AM サービスは多くのエンドユーザーにとって人気のアウトソーシングソリューションになると思われますが、問題が発生する可能性のある部品のプロセスをより適切に制御するために、金属 AM アクティビティを社内で維持することを好むユーザーもいます。

考慮すべきもう 1 つの要素は、生産と採用の増加に伴ってポリマー材料の価格が大幅に下がる一方で、ポリマー 3D 印刷アプリケーションの価値は非常に高いままであるということです。一方、金属 AM 材料の価格が高いと、全体的な生産性が制限され、AM サービスプロバイダーが生み出す総収益が制限される可能性があります。

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