3D プリントにおいて積層造形材料設計 (DfAM) が重要な 10 の理由

積層造形の分野では、モデリングと設計は部品の作成に重要な役割を果たし、あらゆる 3D 印刷プロセスの最初のステップとなります。積層造形における「製造性を考慮した設計」、またはもっと簡単に言えば積層造形を使用して作成された部品を最適化できる設計方法とツールとして定義される DfAM により、ユーザーは 3D プリントにおける設計の自由度を活用できます。これは、機能的で高性能な部品を製造するための鍵となります。

しかし、DfAM はなぜそれほど重要なのでしょうか?部品にどのようなメリットをもたらすのでしょうか?以下ではこれらの質問を検討し、3D プリンティングにおいて DfAM が重要な 10 の理由を挙げます。
1. 3D プリントのエラーを減らす 印刷の失敗は、どの 3D 印刷ユーザーにとっても受け入れられない結果です。特に、レーザーを使用する LPBF や SLS などの高度に工業化されたプロセス、または PEEK や PEKK などの高価な材料の場合、部品を台無しにする小さなミスが、コストと時間の面でユーザーに大きな損害を与える可能性があります。ここで DfAM がその価値を発揮します。この設計により、モデルを適切に配置してサポートできるだけでなく (どちらも等方性などの特性を確保し、反りがないことを保証するのに大いに役立ちます)、ユーザーはパーツに対して適切な充填とレイヤー設定を選択することもできます。これにより、印刷の失敗が大幅に減少します。
△修正方向は DfAM における考慮事項の 1 つです (写真提供: Protolabs)
2. 印刷速度が速い 付加製造の最大のメリットはスピードです。付加製造の技術により、ユーザーは従来の製造方法に比べてほんのわずかな時間で部品を作成できます。ただし、この速度は当然のものではありません。 DfAM を使用すると、格子構造などを使用して設計を最適化し、強度を維持しながら使用する材料の量を最小限に抑えることができます。また、サポート構造を最小限に抑えることができるため、印刷時間が短縮されます。
3. より複雑なデザイン 3D プリントでは、デザインが複雑になっても追加の困難はありません。その結果、DfAM を使用すると、従来の設計ルールを使用して作成されたジオメトリよりもはるかに複雑なジオメトリを作成できます。このソフトウェアを使用すると、特に金属部品など、より複雑な形状の部品の設計と印刷が可能になります。この複雑さこそが、3D プリントがユーザーにさらなる幾何学的自由をもたらすと私たちが実際に見ているところです。
4. 重量と性能の比率を最適化する
DfAM を使用すると、ユーザーはさまざまな設計ソフトウェアを利用して部品を完全に最適化できます。 3D プリンティングが航空宇宙や自動車などの分野で非常に人気がある理由の 1 つは、強度やその他の特性を維持しながら軽量の部品を作成できるため、重量と性能の比率が優れていることです。これは、特に DfAM を使用して、たとえば格子構造を統合したり、トポロジー最適化や部品の生成設計を使用したりすることで実行できます。これらは、強度などの特定の制約を満たしながら材料を削減する部品を最適化および生成するように特別に設計されています。従来の製造では、最終的な部品が複雑すぎて製造できない可能性がありますが、前述のように、3D プリントではこれは問題になりません。
△DfAM の活用方法の一つにトポロジー最適化がある (写真提供: nTop)
5. サポート構造の減少
3D プリントの専門家にとって、サポート構造は 3D プリントにおける「必要悪」であると考えるのは簡単です。サポートは、3D プリントプロセス中に部品が変形したり歪んだりしないようにするために非常に重要ですが、材料の使用量が増える (コストと時間の両方に影響) ため、後処理に時間がかかり、部品の外観にも影響します。ここで DfAM が役立ちます。オーバーハングを減らしたり、向きを改善したり、充填設定を正しく選択するなど、パーツを慎重に設計することで、パーツの製造時にサポートを減らすことができます。
6. 後処理を減らす 前のポイントに引き続き、DfAM が重要なもう 1 つの大きな理由は、ユーザーが全体的な後処理ワークフローを削減できることです。もちろん、これが実現できる主な理由の 1 つは、サポート構造を最適化することで、サポート構造の削除にかかる時間が短縮されることですが、他にも考慮すべき点があります。たとえば、部品を適切に配置したり、層の高さを減らしたりすることで（どちらも DfAM で重要な考慮事項です）、印刷を開始する前に表面の滑らかさなどの問題に対処できます。これらの要素を考慮しないと、後処理にかかる時間が長くなることが多いため、DfAM に移行するとメリットがあります。

7. 部品の統合
DfAM が重要なもう 1 つの理由は、部品の統合です。特に航空宇宙や自動車などの分野で積層造形が使用される理由として、より複雑な形状を通じて複数の部品を 1 つに統合できることがますます人気を集めています。一例として、Czinger 21C スーパーカーが挙げられます。製造元の Divergent 3D 社は、数千の部品を数百に統合し、重量を大幅に削減して性能を向上させることができたと主張しています。このタイプの統合は 3D プリントでのみ可能であり、DfAM 分野を学習して採用することで実現できます。
8. スケーラビリティと量産性の向上 もちろん、DfAM は必ずしもすべての 3D 印刷技術に同様に適用できるわけではありません。さまざまな理由により、これらすべてが大量生産や拡張性に適しているわけではありません。ただし、SLS、DMLS、樹脂 3D プリント、バインダージェッティングなどのテクノロジーの場合、DfAM は生産の拡大において重要な役割を果たすことができます。 DfAM を使用すると、スタッキングによってビルドボリュームに最大数のパーツを配置できます。さらに、DfAM を考慮に入れることで、生産規模の拡大を困難にする 3D プリントの主な課題をユーザーが克服できるようになります。
△樹脂 3D プリントで作られた積層 3D プリント部品 (写真提供: 3D Systems)
9. コストの最適化 複雑な形状と軽量な部品は DfAM が重要な主な理由ですが、コストが高すぎると、それらを作成できたとしても何の役にも立ちません。幸いなことに、DfAM は実際に部品の製造コストを削減することが実証されています。 2020 年、Barnes Group は、積層造形部品のコストのうち 86% は設計によって決まると結論付けており、これは何度も証明されています。設計を通じてのみ、強度やその他の特性を維持しながら使用する材料の量を削減することができ、最終的には部品のコストに影響を与えます。さらに、複雑になることは必ずしも高価になることを意味しないということを考慮することが重要です。実際、デザインが改善されれば、その逆のことが当てはまるかもしれません。
10. 3D技術に基づく最適化 最後に、DfAM は、ユーザーが使用する特定の 3D 印刷技術に基づいて部品を最適化できるため重要です。 3D 印刷技術には 7 つの技術ファミリーがあり、さらに多くのプロセスが含まれており、それらの間には大きな違いがあります。一例として、粉末ベースの技術が挙げられます。この技術では、部品が中空になるように設計にエスケープホールを組み込む必要があります (FDM または樹脂 3D 印刷では問題になりません)。同時に、FDM 3D プリントでは異方性が一般的であるため、必要に応じて DfAM を考慮すると、部品の等方性を向上させることができます。

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