Velo3D創設者：CNCと比較すると、3Dプリントの金属部品には依然として3つの大きな課題がある

業界として、金属積層造形 (AM) の採用を促進し、この技術を量産にうまく移行するにはどうすればよいでしょうか?これらの質問は、付加製造技術への継続的な投資を推進する重要な目標です。

△インペラの製造には金属積層造形技術が使われています。非クリティカル部品の小中量生産の事例は多いですが、保守・修理・運用（MRO）市場の専門的かつ緊急のニーズに応える準備ができていますか？さらに、航空宇宙およびエネルギー分野における革新的で高性能な設計に対する緊急のニーズを満たすことができるのでしょうか?必要に応じて生産を拡大できますか?

私の答えは、まだ道のりは長いということです。

レーザー粉末床溶融結合法 (LPBF) から指向性エネルギー堆積法 (DED)、金属バインダージェッティング法 (MBJ) まで、自動金属成形は急速に進歩していますが、根本的な問題が残っています。これらの問題は主に、コスト、再現性、開発という 3 つの大きな課題を中心に展開します。

コストとその価値曲線<br /> 最終製品のすべてのコンポーネントが同じパフォーマンス値を生み出すわけではありません。一部の機能は構造的なもの（ケーシングやハウジング）のみですが、インペラやジェットエンジンのタービンブレードなどのコンポーネントには高価な材料が必要なため、製造がより難しく、多大なエンジニアリングリソースが必要になります。ただし、より複雑なコンポーネントの価値によって、製品全体が際立ち、競合他社との重要な差別化要因になる可能性があります。

同様の状況は積層造形でも発生し、鋳造、機械加工、その他の従来の製造プロセスでは製造できない部品を作成するために使用できます。こうした部品を積層造形技術で製造できるかどうかが、価値に直接反映されます。

したがって、AM 部品の機能向上により、直接コストの上昇が正当化されることがよくあります。しかし、積層造形コストの将来はどうなるのでしょうか。また、完成部品のコストについてはどのように考えるべきでしょうか。

LPBF を AM コストおよび価値モデルとして使用すると、現在、使用される合金に応じて、材料 (この場合は粉末金属) が完成部品のコストの約 20 ～ 50% を占めると言えます。粉末アルミニウム合金は 1 キログラムあたり 50 ドル未満ですが、GRCop-42 は 1 キログラムあたり 300 ドル以上、耐火材料は 1 キログラムあたり数千ドルかかる場合があります。

エンジニアリング上の決定にはさまざまな可能性があるので、材料とコストの関係により、金属 AM 部品は 1 キログラムあたり 150 ドルから 1,000 ドルのコストで製造されることになります。しかし、疑問は残ります。これは多いのか、少ないのか、それともちょうど良いのか?

この質問には、価値密度（重量と密度に対する価値）の観点からより適切に答える必要があります。高級車の小売価格は約 5 万ドルで、重量は 2,000 kg あり、価値密度は 1 kg あたり約 25 ドルになります。

ボーイング737MAX旅客機の重量は4万キログラムで、その価値密度は1キログラムあたり約2,500米ドルです。比較すると、飛行機は車よりも1キログラム当たり100倍のコストがかかります。

△高級車の価値密度とボーイング旅客機の価値密度を比較します。商業航空、エネルギー、宇宙飛行などの適切な用途では、積層造形はコスト、重量、性能の面で大きな価値をもたらすことができます。

自動車の軽量化の価値は新たな環境規制によって変化する可能性がありますが、航空機の軽量化は依然としてより重要です。航空機の寿命全体にわたって、軽量化と複合材などの軽量素材の使用は、燃料節約の観点だけでも、材料費と製造費を相殺して十分に効果を発揮します。

定置型天然ガス発電所の価値密度式は、自動車や飛行機のものと比較することはできませんが、航空機エンジンの積層造形と同様に、エネルギータービンの効率を改善することで、タービンのコンポーネントのコストパフォーマンス比を大幅に改善することができます。先進的なロケットエンジンの推力と効率の飛躍的進歩（付加製造によって可能になった）は、燃料節約、能力向上、積載量増加の点で莫大な経済的利益をもたらします。

このような場合、イノベーションは単価価値の上昇に直接つながります。では、これらの価値を考慮すると、なぜ積層造形はもっと広く使用されないのでしょうか?

コスト、価値、再現性、業界での採用の適格要因

積層造形のコストを削減することで、この技術の価値提案が継続的に向上することはわかっていますが、価値方程式を高め、採用をさらに促進できるものは他に何があるでしょうか?資格を向上させます。

認定の課題には、再現可能な材料特性と、再現可能な寸法および形状精度を備えた部品を製造する能力が含まれます。再現性とは、機械間、年間、サプライヤー間の再現性を意味します。

コンピュータ数値制御（CNC）加工によりこの問題は解決されました。このようなソリューションは、まさに積層造形が受け入れられるために必要なものです。

△Velo3D Sapphire システムを使用して 3D プリントされた 2 つの IMI 石油およびガスバルブ (2021 年) 業界では、積層造形によって同様の再現可能な結果が得られることを期待しています。この実証済みの標準は、継続的な改善を実施するための基盤でもあり、積層造形システムにおけるより深い革新を探求するための鍵となります。

たとえば、ネイティブ製造プロセスを開発するサービスプロバイダーは数百社あります。理想的な結果を追求するこの「歪んだ」アプローチは、変動をもたらすだけでなく、再現可能な仕様を達成することを困難にします。

この問題は、機器メーカーの機械の中核となるプロセスと制御にばらつきがあることに起因しています。時間が経つにつれて、マシンは調整仕様から「ずれ」、印刷パラメータがマシンごとに異なるようになります。マシン A での印刷が成功した後、マシン B で部品を製造するには、認証プロセスを最初からやり直す必要があります。

△2022年、分散生産プロジェクトでは、前の写真と同じバルブが海外と米国の6つの異なる場所で印刷され、ユニバーサル印刷ファイルを使用して目標品質と大規模生産を達成する可能性を実証しました。

新しい部品ごとに、その部品の製造に使用されるすべての機械でプロセスの革新、調整、および適応が必要になります。言い換えれば、車輪の再発明が絶えず行われているのです。

これはどのように費用対効果が高いのでしょうか?スケーラビリティを実現するにはどうすればよいでしょうか?最終的に、大量生産と幅広い産業への応用を有機的に実現するにはどうすればよいでしょうか?

開発の複雑さはトレーニングと教育に影響を与える

付加製造の開発で直面する課題は、資格の問題と密接に関連しています。部品の製造には回避策の開発が必要だったため、必要な部品の製造には積層造形設計 (DFAM) が使用されました。

現在、積層造形における構造上の制限により、エンジニアはシステムの印刷機能の不足を補うために、ほとんどの設計に DFAM ルールを適用せざるを得ません。従来の AM ではプリンタに応じてファイルを調整する必要があるため、認定の課題と同様に、開発の問題では、設計を調整するだけでなく、部品を印刷可能にするために新しいテクノロジを適用する必要があります。

このアプローチは、アドホックな実験調整によって機械の制限を回避するのではなく、ソフトウェアによって指示される共通の製造設定と共通のキャリブレーション設定を利用することで簡素化される必要があります。

これは、積層造形の導入に関心のあるエンジニアに直接利益をもたらします。本質的に組み込まれた品質と固有のプロセス忠実度が品質を満たし、検証します。再現性と拡張性がそれに続きます。

Velo3D の「ヘルスチェックシート」には、すべてのキャリブレーションが指定された制御範囲内であることが示されています。キャリブレーションは、工作機械間の差異を排除するのに役立ちます。サポート構造の使用はビルドの最適化には有効ですが、サポート構造が壁のほぼすべての側面をサポートしている場合や、印刷完了後に内部の加工不可能なジオメトリの加工が必要な場合は、サポート構造の削除に非常に費用がかかったり、不可能になったりすることがあります。

これらの課題を回避するには、トレーニングと教育障壁の低減が重要です。これらのソリューションには、アプリケーション標準の推進、すぐに使用できるシステムの忠実性、エンドツーエンドの品質とビルドプロセスを改善するソフトウェア自動化などが含まれます。

職人の手による日常的なプロジェクトに取り組んでいる材料科学者、プロセス技術者、博士号取得者は数多くいます。運用レベルでは、人的資産の誤った配分によりコストが上昇します。これにより、純粋な研究開発リソースも転用され、付加製造の広範な導入が遅れることになります。

将来的には、付加製造に現在存在する労力と過度の複雑さに対処するために、「部品の統合と簡素化」の考え方を実践することが有益となるでしょう。お客様の製品デザインが目の前に提示されたとき、私たちは何をすべきか確実に分かっています。この知識を私たち自身の機械に適用するために、もっと努力できるでしょうか?

CNCの成功の鏡像に向かって

積層造形を CNC 加工に近づけることは、具体的なビジョンです。 CNC 工作機械は、再現性、精度、効率性を備え、カスタマイズと中量生産を簡単に実現できます。これは業界の主力であり、付加製造は業界の主力となる可能性を秘めています。

△Velo3D金属技術を使用して迅速に成形された4つのランチャーオービターエンジン
CNC は、自動化の応用、ハードウェアとソフトウェアの統合、経済性の向上、そして製造現場のパフォーマンスの向上を実現する代表的な例です。

AM がその限界を克服し、より厳しい仕様を遵守し、統一されたパラメータセットを開発し、自動化を強化できれば、コストを削減し、部品の認定を簡素化することもできます。

これにより、サプライチェーンにおける技術の採用が加速し、拡張性が向上します。これは、MRO から航空宇宙、エネルギーに至るまでの市場が待ち望んでいることです。

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