積層造形は具体的にどのような革命をもたらしたのでしょうか?

出典: DT ニューマテリアル

積層造形（3D プリントとも呼ばれる）は、デジタルモデルを基盤として材料を層ごとに積み重ねて物理的なオブジェクトを作成する新しい製造技術です。従来のプロセスフロー、生産ライン、工場モデル、産業チェーンの組み合わせに大きな影響を与えます。これは、製造業界における代表的な破壊的技術です。

その他の資料によると、付加製造（3Dプリンティング）技術は、最先端かつ先駆的な新興インテリジェント製造技術として、従来の生産方法やプロセスに大きな変化をもたらしており、新たな産業革命の原動力となると考えられており、世界各国から幅広い注目を集めています。

上記の文献で使用されている「破壊的」と「革命的」という 2 つの単語に注目してください。積層造形は具体的にどのような革命をもたらしたのでしょうか?誰の命が奪われたのか？

まず結論から述べます。積層造形は「製造」と呼ばれますが、それが覆すのは「設計」であり、それによって「古い工業製品」に革命を起こすのです。私たちの見解では、これは製造の新しい方法を提供するだけでなく、従来の産業システムを打破する実現技術も提供します。特に製品設計に大きな影響を与え、それによって工業製品の無限の革新の可能性を解放し、新しいタイプの工業製品を生み出すための無限の余地を提供します。

産業用ソフトウェアと、フォワードデザインをめぐる付加製造の間には、興味深い哲学的関係があります。産業用ソフトウェアは、フォワードデザインを中核および主軸として、フォワードデザインをサポートすることで、ライフサイクル全体を通じて積層造形プロセスの完了をサポートします。デジタルの世界では、R&D と製造は連続的または順を追った関係ではありません。むしろ、デジタル R&D とデジタル製造は、特性が無限に続く相互強化関係です。図 1 に示すように、両者は常に補完し合い、互いに価値をもたらします。

図 1 産業用ソフトウェア、フォワードデザイン、および積層造形の間の弁証法的関係この哲学的関係が存在するのは、フォワードデザインと積層造形の間に相互に強化し合う弁証法的関係があるためです。まず、フォワードデザインによってもたらされる建築の革新により、積層造形の価値が完全に解き放たれます。極限まで最適化され、革新されたデザインは構造が極めて複雑になることが多く、複雑さを恐れないことがまさに積層造形の利点です。従来の製品を加工するために付加製造技術を使用するのは、まったくの無駄です。付加製造のような破壊的技術の利点を反映できないだけでなく、「無駄な努力」という否定的な印象を与え、人々にこの技術のスピードとコストの欠点しか見えなくなってしまいます。つまり、前向きな設計のない付加製造は、翼のない鳥のようなものです。

結果として、積層造形は、前向きな設計における従来のボトルネックを打破します。従来、フォワードデザインがプロセス全体をスムーズに進めるためには、重要なプロセス、つまり職人技と製造プロセスに注意を払う必要がありました。このプロセスでは、フォワードデザインによって生成された革新的なソリューションが拒否される可能性があります。その理由は、デザインが非常に革新的であるが、それを製造できないというものです。このため、デザイナーは自分の才能が認められていないというフラストレーションを感じることがよくあります。しかし、積層造形の時代、つまりデジタル製造の時代においては、どんなに革新的なデザインでも、どんなに複雑な構造でも、製造することが可能です。積層造形は、実際には設計に無限の自由をもたらします。製品設計は、製造上の制約を考慮せずに、ニーズと機能のみに基づいて行う必要があります。完全に自由に、破壊的なイノベーションを実行できます。したがって、積層造形は、前向きな設計をさらに強化することと同等です。

加法的思考に基づくフォワードデザインには、従来とは異なるいくつかの特徴があります（図2）。最初の特徴はジェネレーティブデザインです。この設計方法は従来の設計方法とはまったく異なり、使用するツールソフトウェアも従来の CAD ソフトウェアではありません。ジェネレーティブデザイン手法は、アルゴリズムと人工知能の利点を最大限に活用します。人間の考え方がデザインの革新を妨げる可能性があるため、過度の人間の介入は必要なく、また人間の介入も望んでいません。必要な設計要件を与えるだけで、残りはアルゴリズムに作成を任せることができます。この新しい設計方法は、前向きな設計や革新に完全に取って代わることはできませんが、人々の脳と視野を大きく広げることができます。
図 2 付加的フォワードデザインの特殊要素付加的思考に基づくフォワードデザインの 2 番目の特殊機能は、マルチスケールシミュレーションです。シミュレーション自体は、フォワードデザインにおける一般的な技術です。特に、積層造形が提供する無限のイノベーション空間においては、設計自体に従わなければならない仕様や基準はないため、シミュレーションが最も重要なツールとなります。このため、シミュレーションから始めた企業は、積層造形分野への新規参入者であっても、独自の優位性を持つことになります。しかし、積層造形の分野では、シミュレーションにおいてマルチスケール問題という難しい問題があります。付加製造の観点から見ると、従来製造された製品はかさばり、扱いにくいという特徴があります。従来製造された製品には、50% 以上の材料冗長性があると言っても過言ではありません。自然界の生物は、何億年もの進化を経て、その構造を極限まで最適化してきました。病気や過形成がない限り、余分な物質が増殖することはありません。この進化的特徴により、枝や葉などの自然構造は、細かい質感を持つ多孔質構造になります。従来の製造業界では、このような構造モデルは想像もできませんが、積層造形業界では当たり前のことです。しかし、このような構造をシミュレーションするのは極めて困難です。シミュレーションによってマクロ構造とミクロ構造の両方の最適設計を見つけたいのですが、現在のシミュレーション技術では、2つのスケールの構造を同じモデルに出現させることができず、お互いの計算結果を別の計算に引き継ぐ必要があります。マクロ組織の機械的特性はミクロ組織の計算結果に基づいて同等に得られる必要があり、ミクロ組織の計算にはマクロ組織の計算結果を入力として必要とします。これらの関連タスクは、付加的なシミュレーションプロセスの焦点であり、難しさです。

加法的思考に基づくフォワードデザインの3つ目の特徴は、他の分野ではトポロジー最適化と呼ばれるアーキテクチャ最適化です。私はこれをアーキテクチャ最適化と呼ぶことを好みます。なぜなら、フォワード設計システムでは、アーキテクチャの革新と最適化が主要かつ最も価値のあるタスクだからです。建築最適化では、構造の形状を制限する必要はなく、構造の力と制約を与えるだけで済みます。ソフトウェアは、力の伝達経路に応じて最適な構造形状を自動的に見つけることができます。次に、ジェネレーティブデザインとマルチスケールシミュレーションを組み合わせて、この構造形態のミクロ設計とシミュレーションを実行します。

付加製造の結果として、新たな工業製品が生み出されるはずです。付加製造の本質は、付加的な思考に基づいて現在の産業システムを強化し、変革し、さらには再構築することです。私たちは、従来の製品の製造に付加製造技術を利用することに断固反対します。少なくとも、従来の製品を再設計するか、構造革新を実施して、従来とはまったく異なる、極めて革新的な新しい工業製品を生み出す必要があります。

図3 付加的思考に基づく新工業製品の研究開発 - マイクロタービンマイクロタービンは新工業製品の一例です（図3）。かつてターボ機械は、航空機などの大型機器に搭載される大型機器であることが多かった。このような小型タービンはSF映画でよく見かける。アイアンマンの体にはこのような装置が満載されており、空や海、地面を移動できるだけでなく、超強力な攻撃力も発揮する。このような小型で高性能なタービンを従来の研究開発および製造方法で扱うことは考えにくいです。先進的な設計と付加製造の組み合わせによって生み出される巨大なイノベーション空間により、この新しいタイプの工業製品が当たり前のものとなるでしょう。

情報源: 中国機械工学協会、DT新材料

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