自動車軽量化分野における3Dプリント技術の応用の分析

出典: 中央ヨーロッパ SENIA

自動車部品の分野では、3D プリント技術の幅広い応用が一般的な傾向になっています。これは自動車業界にとって大きな進歩となり、従来の「4大プロセス」を覆す可能性があると指摘する人もいる。今日、理想は徐々に現実になりつつあるようです。「インダストリー4.0コンセプト」の継続的な推進により、この革命の核心技術サポートの1つである3Dプリンティングは、近年再び市場の最前線に押し上げられ、複数の業界で応用されています。製造業の誇りである自動車・部品製造は、3Dプリント技術の推進の重点分野です。しかし、自動車の軽量化は長期的なトレンドであり、従来の自動車の場合、軽量化はエネルギーを節約し、消費量を削減する唯一の方法です。

従来の製造プロセスと比較して、3D プリンティングは自動車製造業界に何をもたらすのでしょうか?
デザイン面では 3D プリント技術を使用すると、コンセプトモデルを数時間または数日で作成できます。3D プリントの迅速なプロトタイピング特性により、自動車メーカーは自動車の外観デザインの研究開発にそれを適用できます。従来の手作りの粘土モデルと比較して、3D プリントは 3D 設計図をより正確に、より短時間で物理的なオブジェクトに変換できるため、自動車設計レベルでの生産効率が向上します。現在、BMWやメルセデス・ベンツのデザインセンターなど、多くのメーカーが設計に3Dプリント技術を活用し始めています。

材料に関して
3D プリントでは、さまざまな材料オプション、さまざまな機械的特性、正確な機能プロトタイピングが可能になり、メーカーは初期段階でいつでもエラーを修正して設計を改善できるため、エラーコストを最小限に抑えることができます。
試合に関しては
3D プリント技術は高速かつ正確な方法を提供し、ツール製造のコストと時間を大幅に削減します。その結果、自動車メーカーは生産能力、効率、品質を急速に向上させました。
生産ツールに関しては、水溶性コア、カーボンファイバーラッピング、射出成形などの 3D プリントの応用により、企業は小ロットのツールのカスタマイズを迅速に実現し、コストを削減し、製品の市場投入までの時間を短縮できます。

最終用途部品の製造において 3Dプリント技術の助けを借りて、自動車メーカーは小ロットのカスタマイズ部品と生産の自動化を実現し、有機的な形状、中空、負の伸縮などの複雑な形状を作成および製造することができます。 3D プリントは複雑な形状の部品を素早く製造できます。テスト中に問題が発生した場合は、3D ファイルを修正して再印刷し、再度テストすることができます。

自動車業界での3Dプリント技術の応用が急速に拡大する中、著名な市場コンサルティング会社フロスト＆サリバンは最近、関連調査レポートを発表し、自動車3Dプリントの市場規模は2025年に43億米ドルに達すると予測している。フォード、BMW、ランボルギーニ、フォルクスワーゲン、ゼネラルモーターズ、ポルシェ、ホンダ、クライスラー、メルセデス・ベンツ、アウディなど、ほぼすべての自動車メーカーが、3D プリントがもたらす無限の可能性を探求し続けています。

革新技術が絶えず出現する時代において、「3Dプリント」は非常に人気があり、多くの業界で応用されています。自動車および部品製造は、3Dプリント技術を推進する重要な分野です。現在、自動車のシャシー、内装、外装など多くの部品がABS樹脂やカーボンファイバー材料を基本材料として3Dプリント生産を実現することに成功しているだけでなく、「車両全体」の印刷も何度も実証されており、印刷時間はますます短くなり、技術レベルはますます高くなり、世界中の注目を集めています。

現在、主流の 3D 印刷技術には、材料溶融押し出し FDM、バインダージェッティング 3DP、材料液滴ジェッティング、粉末平面溶融、直接エネルギー堆積 LENS、薄材料オーバーレイ LOM、感光性樹脂平面 SLA の 7 つの基本的なタイプがあります。その中で、FDM、粉末積層溶融法、SLAは自動車産業の製造に応用されており、自動車部品だけでなく、多くの企業が自動車の「全体」を印刷するという大胆な試みを始めています。

3Dプリントの利点 従来の製造業におけるCNC加工などの「減算型製造技術」と比較すると、3Dプリント技術の魅力は、主にコンピュータグラフィックスデータから任意の形状の部品を直接生成できることにあります。複雑な構造金属部品の金型開発プロセスを排除し、新製品の開発サイクルを短縮し、より多くの人手、資金、時間を節約し、製造コストが低く、開発サイクルが短く、生産効率が高いなどの明らかな利点があります。さらに、設計の初期段階で 3D プリント技術を使用して製品組み立ての実現可能性を検証することで、製品設計のエラー、複雑なコンポーネント、またはプロトタイプ原理の実現可能性を迅速に発見できます。

複雑な形状、微細なサイズ、製造が難しい部品の製作も3Dプリント技術の強みです！ 3D プリント技術は、その原理からすると大量生産には速くなく高価ですが、材料をゼロから蓄積し、従来の処理方法に制限されず、ほぼあらゆる形状の製品を生産することができます。例えば、複雑だが非常に精密な穴のある部品を作る必要がある場合や、中空の細い腕の部品を作りたい場合、3Dプリント技術は従来の加工技術よりも高速で便利です。最も重要なのは、3D プリント技術によって部品の製造が職人技に制限されなくなり、アイデアに大きく依存するようになったことです。部品が奇抜であればあるほど、また従来の加工技術では加工できないほど、3D プリント技術を活用できるようになります。このプロセスでは、従来のプロセスと比較したコスト削減も、ユーザーにとって 3D プリントの最大の魅力です。

現在のアプリケーション 従来の自動車製造と比較すると、3Dプリントの現在の生産能力はまだ比較的低く、大量生産は困難です。また、安全性などを考慮する必要があるため、原材料の品質とコスト要因のバランスを取ることが難しく、車両1台あたりの生産コストが過度に高くなることも、現段階では3Dカーの商品化を制限している。

この段階では、3D プリントの応用は、設計分野や自動車の研究開発段階、さらには完成車のクレイモデル、ボディ、シャーシ、シンクロナイザーなどの部品の開発、ゴムやプラスチック部品の単一部品生産などの単一部品の小ロット生産に適している可能性があります。

設計分野では、3Dプリントのラピッドプロトタイピング特性により、自動車メーカーは自動車の外観デザインの研究開発にそれを応用することができます。従来の手作りの粘土モデルと比較して、3D プリントは 3D 設計図をより短時間でより正確に物理的なオブジェクトに変換できるため、自動車設計レベルでの生産効率が向上します。現在、メルセデス・ベンツ・デザインセンターなど、多くの自動車メーカーが設計に3Dプリント技術を活用し始めています。

部品分野では、3Dプリント技術により複雑な形状の製品も迅速に生産できます。従来の自動車製造業界では、自動車部品の開発には長期間にわたる研究開発とテストが必要になることがよくあります。研究開発からテスト段階まで、部品の金型を作る必要があり、時間がかかるだけでなくコストもかかります。問題が存在する場合、その部分の修正には同様に長い時間がかかる可能性があります。 3D プリント技術により、複雑な形状の部品を素早く製造できます。テスト中に問題が発生した場合は、3D ファイルを修正して再印刷し、再度テストすることができます。 3D プリント技術により、将来の部品の開発コストがより低く、効率的になると言えます。

3D プリントと CNC の組み合わせ 3D プリント技術は、従来の複雑な製造プロセスを簡素化し、材料分野の困難な問題を解決することに成功していますが、現在の開発状況から判断すると、3D プリント技術の応用をどのように拡大するかという点において、まだいくつかの問題が残っています。また、技術的な設備、新しい材料、設計ソフトウェア、品質と安全性、公共環境によっても制限され、影響を受けます。

さらに、3Dプリントは従来のCNC加工を完全に置き換えることはできません。この2つにはそれぞれ独自の利点もあります。CNCの加工精度は3Dプリントよりも高く、3Dプリントで製造できる部品の複雑さはCNCよりもはるかに高くなります。 3D プリントは、従来の加工方法の重要な補足です。その主な機能は、置き換えることではなく、補足することです。したがって、3D プリントと CNC の組み合わせは非常に良い形です。

今後、3Dプリント技術の個別化、複雑化、難解化の特性と、従来の製造業の規模、バッチ生産、精緻化を組み合わせ、さらに製造技術、情報技術、材料技術と組み合わせることによってのみ、自動車製造業界における3Dプリント技術の革新的発展を継続的に推進することができます。

2014年、Local Motorsは3Dプリントカーのアップグレード版であるStratiを発売しました。この車の改良点は、シャーシも3Dプリント技術を使用して製造されている点と、プリント時間がわずか44時間である点です。組み立て時間を含めると、最新のデータによれば、Strati の組み立てにはわずか 3 日しかかからないことが示されています。 100日以上から3日へと効率が急速に向上したことは、3Dプリント自動車の今後の発展が予測不可能であることを示しています。

ドイツの独立系自動車デザイン会社 EDAG は、3D プリントされたコンセプトカー「ライトコクーン」を 2015 年のジュネーブモーターショーに出展しました。この新車の外殻の重さは 1 平方メートルあたりわずか 19 グラムで、これは A4 用紙の 4 分の 1 に相当します。 3Dプリント自動車は絶えず登場し、アップグレードしていますが、客観的に見ると、自動車分野における3Dプリント技術の応用はまだその強みではありません。自動車は大量生産される製品であり、3Dプリントは現時点ではパーソナライズされた製品や小ロットの生産に適しているためです。

△自動車における3Dプリントの応用図現在、主な応用分野は5つあります。
1. デザインに使用される。
2. 複雑な構造の部品の直接生産
3. 自動車用軽量構造部品の製造
4. 特殊なワークピースや試験装置をカスタマイズします。
5. 車両全体のモデルの製作。

ただし、3D プリント機器の実際の意義は、プロセス全体を完全に置き換えるのではなく、設計または製品のプロトタイプ作成プロセスにおける特定のリンクの効率を向上させることにあることを指摘しておく価値があります。 Urbee と同様に、3D プリンターはボディシェルを印刷し、ボディの重量を軽減し、カスタマイズされたデザインを提供できますが、モーターなどの主要コンポーネントは依然として従来の製造方法から供給されています。 3D プリント自動車と従来の自動車製造の最大の違いは、3D プリント自動車では、車体のさまざまな部分を組み立てるのではなく、最初に 1 つの統合された車体を印刷し、次に他の部品をそこに取り付ける点です。

3D プリントのボトルネック - 材料の種類の制限と高価格 3D プリント技術は、その材料とプロセスの特殊性により、現在、自動車部品の試作段階で最も有利です。しかし、これらと実際に自動車に使用されている材料の種類との間には、まだ大きなギャップがあります。そのため、私たちは通常、構造部分に焦点を当てます。さらに、2016年2月28日、工業情報化部、国家発展改革委員会、財政部が「国家付加製造産業発展促進計画（2015～2016年）」を策定し、3Dプリンティングを自動車、航空宇宙、バイオメディカルなどの重要なサブセクターに分類して業界間の統合を図り、付加製造用のいくつかの特殊材料で画期的な進歩を遂げることを提案したことは喜ばしいことです。 2016年までに、チタン合金、高強度鋼、一部の耐高温高強度エンジニアリングプラスチックなどの特殊材料の自主生産を実現し、業界の発展ニーズに応えます。これは間違いなく、3D プリント材料の開発に弾みをつけるものとなるでしょう。

3D プリントの材料面でのもう 1 つの障害は、種類が限られていることに加え、コストです。材料コストは相対的な概念です。バッチサイズが非常に小さい場合、金型のコストは単一の製品に分散されるため、単一の製品の価格が高くなります。ただし、3D プリントを使用する場合、この問題は発生しないため、単一の製品または少量のバッチの製品を 3D プリントするコストは比較的低くなります。しかし、年間数十万台の自動車の生産量の場合、現時点では 3D プリントを使用するのは費用対効果が高くありません。そこで、これを理解した上で、大量生産品ではなく、パーソナライズされた小型で複雑な構造部品、つまりユニークな製品に適用しました。

人工知能が普及し、あらゆることが可能になった今日、近い将来、自動車業界における 3D プリントの応用はますます広範になっていくと私たちは考えています。

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