3D プリントにおけるデジタルツイン: 知っておくべきことすべて

デジタルツインって聞いたことありますか？このアイデアは、デジタルコンポーネントを備えた宇宙船の物理モデルを使用してアポロ計画の失敗シナリオを評価するのに役立つ動的モデルを作成するという、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続けてきましたが、当然ながらその中核は変わっていません。本質的に、デジタルツインは物理的なオブジェクトを正確に反映するように特別に設計された仮想モデルです。それだけでなく、IBM によれば、デジタルツインは「リアルタイムデータに基づいてライフサイクル全体にわたって更新でき、シミュレーション、機械学習、推論を使用して意思決定を支援できるオブジェクトまたはシステムの仮想表現」と考えることができます。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、その用途はモデリングをはるかに超えています。デジタルツインにおけるアルゴリズムと数学の使用は、ユーザーが 3D プリントを使用して製造された部品などの動作を予測できるようにするための重要な要素です。

今日、デジタルツインは、製造業からヘルスケア、さらにはインテリアデザインに至るまで、さまざまなアプリケーションで活用されています。さらに、積層造形にもますます使用されるようになっています。さらに、Markets and Markets によると、デジタルツイン市場は 2022 年に 69 億ドルの価値があり、2027 年までに約 735 億ドルに成長すると予想されているのも、おそらく驚くことではありません。 3D プリントでデジタルツインを使用する理由を理解するには、まずその技術を詳しく理解する必要があります。
△デジタルツインはインダストリー4.0の一部としてますます利用されるようになっている（画像提供：GE）
3D プリントにおけるデジタルツインの使用<br /> デジタルツインと積層造形はどちらも、インダストリー 4.0 で重要な役割を果たすと考えられています。しかし、この 2 つが組み合わされるようになったのはごく最近のことです。しかし、さまざまな研究により、3D プリントは一般的にデジタルツインの使用に適していることが判明していることは注目に値します。なぜ？なぜなら、付加製造は本質的にデジタルだからです。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欠かせないものとなっています。デジタルツインは、追加されるもう 1 つのツールにすぎません。
しかし、それらをどのように使用するのでしょうか?まず、3D プリントにデジタルツインを統合するプロセスを検討する必要があります。前述したように、デジタルツインは 3D モデルから始まります。これは、CAD 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実行できます。さらに、3D スキャンは、対象部品の完璧なモデルを作成できるため、ますます使用されるようになっています。初期設計以外にも、3D プリントを含むデジタルツイン専用に設計されたソフトウェアプログラムがすでに数多く市場に出回っています。 Siemens、Simio、Netfabb の製品を例に挙げてみましょう。これにより統合が簡素化され、積層造形における幅広い使用がさらに促進されます。言うまでもなく、製品を正確に再現できるため、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にどのように使用できるかは容易に想像できます。
最後に、デジタルツインにはさまざまな種類があり、それらも考慮する必要があります。あるレポートによると、積層造形用のデジタルツインは次の 4 つのカテゴリに分類できます。

デジタルツインの取り扱い;
機器デジタルツイン;
施設デジタルツイン;
製品のデジタルツイン。

名前が示すように、製造プロセス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、保守のための 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できます。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、前述の 2 つのハイブリッドですが、より大規模で、工場フロア全体を考慮に入れています。最後に、この記事で議論する最も重要なことは、
△ 3D プリントでデジタルツインがどのように使用されるかを示した図 (写真提供: Zhang、Li、Xiaoqi Chen、WeiZhou、Taobo Cheng、Lijia Chen、ZhenGuo、Bing Han、Longxing Lu)
デジタルツインを付加製造に統合する理由
デジタルツインと 3D プリントの組み合わせにも多くの利点があります。特に部品の品質管理に関してはそうです。積層造形はラピッドプロトタイピングの起源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、付加製造では、その性質上、印刷の失敗を防ぐためにパラメータが正しいことを確認するために、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、コストと材料の無駄の削減という積層造形の 2 つの最大の利点に反するものです。
幸いなことに、この問題はデジタルツインを使用することで解決できます。デジタルツインを使用すると、フィードバックからのデータが継続的に流れるため、ユーザーはパラメータを直接評価できます。これにより、物理的なテストを必要とせずにパラメータを最適化できるようになります。さらに、デジタルツインの助けを借りて、3D 印刷プロセス全体にわたってリアルタイムの監視を実行できるため、最終的な印刷の精度が向上します。これにより、積層造形における品質管理の信頼性が向上します。これは、レーザー粉末床プロセスなどの方法による金属付加製造を含む、より工業的なプロセスの場合、一貫性も向上するため特に重要です。
さらに、前述のように、デジタルツインは個々の部品だけを対象としているわけではありません。実際、工場フロア全体向けに製造することも可能です。これにより、3D プリンターファームを個々のレベルだけでなく、全体として最適化して生産効率を高めることができるため、積層造形の産業化がより実現可能になります。
とはいえ、まだ課題がないというわけではありません。デジタルツインの実際の定義と開発は、多くの学者がフレームワーク自体が十分に理解されていないと指摘していることもあって、依然として非常に困難です。しかし、デジタルツインと 3D プリントを一緒に使用すればするほど、この障壁はより早く克服されるでしょう。特に人工知能やより高度な機械学習ツールの使用が増えるにつれて、これはもはや孤立したケースではなくなりました。南極のクマの詳細：デジタルツインと3Dプリント技術の統合がさらに深まるにつれ、将来的にはより興味深い変化が見られることは間違いありません。
3Dプリント、特にタービンなどの部品におけるデジタルツインの使用が増加する可能性がある（写真提供：コニカミノルタ）